等离子体磁约束

在自然界中的等离子体，约束常是天然具有的。例如太阳和其它恒星，凭借自身巨大的质量，利用引力即可把等离子体约束在一起。地球的引力仅是太阳引力的 33 万分之一，依靠如此微弱的引力，不可能约束住高温等离子体。人们很自然地想到了磁约束的方法。磁场对等离子体的作用包括三种，即带电粒子所受磁场的洛仑兹力、磁场对等离子体束的磁应力以及等离子体电流所受磁场的箍缩力。洛仑兹力可以把带电粒子约束在磁力线的周围，使其在垂直磁场的方向上受到横向约束；磁应力来自磁场的不均匀性，使等离子体整体受到指向内部的作用，从而抵消等离子体的热膨胀；而箍缩力将使等离子体电流束沿径向被箍缩，从而受到约束。磁约束装置

的研制关键在于寻找到合适的磁场位形。(1)仿星器、磁镜

美国天文学家和物理学家斯必泽（Spitzer，LymarJr.1914～）是早期磁约束装置研究中较为成功的一位。1935 年，斯必泽毕业于耶鲁大学，曾在著名天文学教授爱丁顿及罗素（Rus-sell，Hery Norris 1877～1957）指导下攻读研究生学位，1938 年获哲学博士学位。毕业后在耶鲁大学工作，后到普林斯顿大学担任天文系系主任。斯必泽早期研究的课题是弱磁场下，宇宙尘形成新恒星的过程。这项研究为他以后的成功奠定了基础。50 年代初，随着早期核聚变研究的热潮，他迅速地找准了研究方向，即研究高温等离子体的磁约束。最初，他设想用磁场把等离子体约束在一个圆柱形空间里。为解决等离子体在端点的泄漏，他设想把两端连接成圆环状。然而激磁线圈产生的环形磁场内侧强，外侧弱，致使正带电粒子向下漂移，电子向上漂移，正负电荷的分离所产生的电场与磁场共同作用的结果，把等离子体向外推，因而不能形成稳定的约束。为了克服正负电粒子的分离，斯必泽巧妙地把圆环状空间扭成 8 字，于 1951 年 4 月提出了一种称为仿星

器（Stellarator）的磁约束装置。等离子体沿 8 字形绕行一圈，总的漂移

被抵消。同年 7 月，他得到 5 万美元的资助，开始了这项理论研究工作。

1952 年建成第一台小型实验用仿星器 Model-A，以后又陆续建成规模更大一些的 Model-B 和 Model-C。60 年代以后，由于实验结果不甚理想而进展缓慢，美国基本上停止了仿星器的研究。然而英国、西德、前苏联和日本却坚持了下来，并取得了较好的结果。例如 80 年代英国在 CLEO 仿星器上进行低电流欧姆加热实验，能量约束时间为 5ms，欧姆加热输入功率为 12～ 15kW；西德的 WⅦA 仿星器的大半径达到 2m，磁场的螺旋变换角可以连续调节。实验发现，用这种仿星器加热，等离子体的温度与密度分布都优于同样规模的托卡马克装置。他们在该仿星器上还成功地进行了中性注入实验。

磁镜属于开端系统，它用中间弱、两端强的磁场位形约束等离子体，具有结构简单、β值高、能稳态运行等优点。提出这一方案的是刚从斯坦福大学获得博士学位的波斯特（S.Post）。1952 年，他从斯坦福大学毕业后，应聘到劳仑斯-利弗莫尔辐射实验室从事同步辐射研究。应该实验室热核聚变研究课题负责人约克（H.York）的邀请，参与了核聚变研究。由于波特在微波与等离子体方面的知识背景，使他很快地从地球磁场俘获带电粒子中受到启发。地磁具有中间弱、两端强的磁场位形，被俘获的带电粒子在两极间来回反射，称为磁镜效应。波斯特把这一效应用于解决直线型聚变装置的等离子体泄漏问题，于参加工作的当年，就建成了第一台人工磁镜装置。1976 年，该实验室的 2ⅦB 磁镜装置的等离子体温度已达到13keV，等离子体密度达到 2×10¹⁴cm^-3。在采用中性注入技术时，也未出现约束不稳定性问题，所需要解决的是，由于磁力线在装置内不闭合而带来的终端损失问题。有人提出终端能量的再循环使用，以及在端头加“塞子”的堵漏设想。基于这一想法，已产生了反向场磁镜、串联磁镜及环键磁镜等新设计。80 年代初，劳仑斯-利弗莫尔实验室的大型串联磁镜已投入运行①。它的中部磁场长 5m，中心磁场 2kG，等离子体密度 10¹³cm^-3，等离子体温度 10keV，加热束流持续时间 25ms，端部磁场中心场强 10kG，端部磁镜用 5MW 的中性束注入加热。从发展趋势看，磁镜有可能是托卡马

克的竞争对手，成为一种有前途的磁约束装置。

托卡马克

早在 50 年代初，前苏联著名物理学家塔姆（Tamm，IgorYavgenyevich 1895～1971）就曾提出用环形强磁场约束高温等离子体的设想。1918 年，塔姆毕业于国立莫斯科大学。从 20 年代到 30 年代早期，他曾以量子理论为基础，研究固体的光色散问题。1937 年，他成功地解释了切伦科夫辐射现象，为此与另一位前苏联物理学家弗兰克（Frank，Ilya Mikhaylovich 1908～）共获 1958 年诺贝尔物理学奖。第二次世界大战后，塔姆转向受控热核聚变研究。他认为，把强电流产生的极向磁场与环形磁场相结合，可望实现高温等离子体的磁约束。受到这一思想的启发，莫斯科库尔恰托夫研究所的前苏联物理学家阿奇莫维奇（Artisimovich， Lev Andreevich 1909～1973）开始了这一装置的研究。最初，他们在环形陶瓷真空室外套有多匝线圈，利用电容器放电，使真空室形成环形磁场。与此同时，用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁场。后来，利用不锈钢真空室代替陶瓷真空室，又改进了线圈的工艺，增加了匝数，改进了磁场位形，最后成功地建成了托卡马克装置。托卡马克这一名称由阿奇莫维奇命名，是俄文环流磁真空室的缩写。

为了克服一般环形磁场使带电粒子漂移，致使正负电荷分离而产生电场，破坏稳定约束的缺点，托卡马克的磁场位形极为巧妙。它的总磁场是非圆环形的，它由一个沿大环形的圆形磁场与一个沿圆环截面的小环形弱磁场叠加而成，这种合成场的磁力线既沿大圆环旋转，又沿小圆环缓慢旋转而形成螺旋线。带电粒子在这种具有旋转变换的磁场中，正离子绕行一周后，进入到电子漂移前的位置，而电子绕行一周后，进入到离子漂移前的位置。由于正负粒子互换，并不破坏原有的电中性，因而不再向外侧漂移。

奇特的旋转磁场位形，使托卡马克取得了重大的进展。60 年代末，前苏联的 T-3 和 TM-3 托卡马克的等离子性能明显地优于其它环形装置。电子温度达到 1keV，离子温度 0.5keV，等离子体约束时间达到了“玻姆扩散时间”的 50 倍。这一神速进展在 1968 年召开的第三届等离子体和受控热核聚变研究国际会议上一公布，立刻引起轰动。1969 年，英国卡拉姆实验室主任皮斯（Pease，R.S.）带领等离子体专家小组，对上述结果做了实地验证核实，证明准确无误后，引起了极大的反响。因为这一进展表明，人类不久即可在托卡马克装置上实现受控核聚变。由于阿齐莫维奇首创的托卡马克装置对国际核聚变研究发展中所做出的杰出贡献，在他逝世后，国际原子能委员会做出决定，在每年度等离子体物理和受控热核聚变研究国际学术会议上，将有一篇专题报告，纪念阿齐莫维奇的功绩。

自 70 年代伊始，世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。美国普林斯顿大学实验室将仿星器 Model-C 改装成 ST 托卡马克；橡树岭实验室则建成了奥尔马克（Ormark）；法国冯克奈-奥-罗兹研究所建成了克利奥（Cleo）；日本原子能研究所建立了 JFT-11 托卡马克；西德的普朗克研究所建立了普尔萨特托卡马克；几年以后中国科学院物理所也开始了托卡马克的研究，第一台小型托卡马克 CT-6 于 1975 年投入运行。1984 年 6 月，又建成了目前国内最大的托克马克装置——中国环流 1 号（HL-1）。它们为中国的核聚变研究做出了许多开创性的贡献，在其上所取得的实验成果，都已经达

到国际同类装置等离子物理品质参数水平。