托卡馬克(第4版)（簡體書）

《托卡馬克（第4版）》主要闡述磁約束聚變所涉各個方面，包括等離子體物理原理，等離子體的平衡、穩定、約束、加熱、與器壁的相互作用、診斷等方面，並對歷史上有重要地位的裝置及其成果給予了簡介，對目前在運行的大型裝置和ITER的目標以及取得的進展逐一作了介紹。

王文浩，清華大學 工程物理系 高級工程師，中國科學技術大學 近代物理系本科1983年畢業，理學博士，長期從事磁約束聚變等離子體和托卡馬克裝置的實驗研究。曾譯著《等離子體物理與聚變能》（MIT教材，科學出版社，2010年出版）和《等離子體科學》（美國國家科學院專題報告，科學出版社，2012年出版）等。發表SCI文章幾十篇，1986年科大研究生畢業留校，主要從事等離子體物理教學和托卡馬克等離子體診斷的研究。2003年在職博士畢業後應清華大學工程物理系之邀入工物系博士後流動站工作，主要從事球形托卡馬克的實驗研究和學科教學建設工作，出站後留校工作至今。

前言

在聚變研究的早期，當我在環形器上工作時，所獲得的等離子體溫度大約為10eV，其約束時間約為100μs。在接下來的30年裡，該領域有了穩定的進展，在1987年本書的第1版中，大型托卡馬克裝置的溫度達到了幾個keV，持續時間達到了1s。

自那以後，托卡馬克已成為從熱核聚變中獲得有用能源的主要裝置。隨著研究活動的深入和人們對托卡馬克興趣的普遍增加，需要對這個主題有一個入門性的介紹，本書第1版的目的正是提供這樣一個導引。

在隨後直到出版第2版的10年裡，這個主題又有所改變。現在已經可以用公認的理論來理解實驗行為，這是令人鼓舞的。在大型托卡馬克上進行的大量研究取得了人們期待已久的產生巨大聚變功率的成就。這一成就使我們不可避免地面臨如何設計和建造托卡馬克反應堆的問題。第2版的目的就是要描述這些進展。作為該學科發展的一種衡量，第2版的內容規模是第1版的兩倍。2004年，借著重印的機會，我將本書更新為第3版。

對於這個第4版，我必須認識到，我在這個領域已不再活躍，我得依靠別人的建議來進行所需的更新。幸運的是，我尋求這些幫助的請求得到了我所接觸的專家們的熱烈響應。

本領域的主要課題目前已經從科學上感興趣的問題轉化為設計和運行實驗反應器ITER所面臨的關鍵問題。這一轉變的重點在本版的重大變化中得到體現。

盡管這門學科的複雜性越來越高，但我希望，本書對那些進入本領域的年輕學者，對於從事托卡馬克研究並且希望獲得與其相關的其他領域的知識的專家，對於那些不從事托卡馬克研究但希望了解有關的基本概念、方法和相關問題的人來說，仍然是有用的。本書的另一個目的是要提供一部有關研究人員經常需要查找的方程、公式和數據的手冊。

我很榮幸能與眾多杰出的物理學家合作，他們都是我的合作者。他們的合作精神使這一努力成為一種樂趣。我非常感謝我的妻子奧莉芙（Olive）在費時的手稿準備過程中提供的支持。我要感謝卡羅爾·西蒙斯（Carol Simmons）、比吉塔·克羅伊斯代爾（Birgitta Croysdale）和英格麗·法雷利（Ingrid Farrelly），她們為第1版和第2版做了大量錄入工作；還要感謝琳達·李（Lynda Lee），她在編寫第3版和第4版時給予了非常大的幫助。我還要感謝斯圖爾特·莫利斯（Stuart Morris）、乍得·海斯（Chad Heys）和拉塞爾·佩裡（Russell Perry），他們不遺余力地製作了高質量的圖表。

最後，我想把本書獻給我在世界各地的聚變物理學家朋友和同事，他們為國際合作樹立了一個值得效仿的出色榜樣。

約翰·韋森

2011年3月 英格蘭

目錄

第1章聚變

1.1聚變和托卡馬克

1.2聚變反應

1.3熱核聚變

1.4聚變功率平衡

1.4.1熱核功率

1.4.2能量損失

1.4.3α粒子加熱

1.4.4功率平衡

1.5點火

1.5.1點火條件

1.5.2點火方法

1.6托卡馬克

1.7托卡馬克反應堆

1.7.1反應堆結構

1.7.2反應堆參數

1.7.3反應堆功率

1.7.4雜質

1.8燃料資源

1.9托卡馬克的經濟學分析

1.10 托卡馬克的研究

參考文獻

第2章等離子體物理

2.1托卡馬克等離子體

2.2德拜屏蔽

2.3等離子體頻率

2.4拉莫爾軌道運動

2.5粒子沿磁場B的運動

2.5.1E∥引起的加速

2.5.2Δ∥B引起的加速

2.6粒子漂移

2.6.1E×B漂移

2.6.2ΔB漂移

2.6.3曲率漂移

2.6.4極化漂移

2.7絕熱不變量

2.7.1磁矩

2.7.2第二個和第三個絕熱不變量

2.8碰撞

2.8.1動量和能量變化

2.9動力學方程

2.10福克普朗克方程

2.11回旋平均動力學方程組

2.12等離子體的福克普朗克方程

2.13麥克斯韋分布下的福克普朗克系數

2.14弛豫過程

2.15碰撞時間

2.16電阻率

2.17逃逸電子

2.18電磁學

2.19流體方程組

2.20磁流體力學

2.21等離子體流體物理

2.21.1流體速度

2.21.2壓強平衡

2.21.3壓強張量

2.21.4磁場的“凍結”

2.21.5極化

2.22等離子體的逆磁性

2.23布拉金斯基方程組

2.23.1連續性方程

2.23.2動量方程

2.23.3能量方程

2.24等離子體波

2.24.1等離子體振蕩

2.24.2橫電磁波

2.24.3聲波

2.24.4磁流體力學波

2.24.5剪切阿爾文波

2.24.6磁聲波

2.25朗道阻尼

參考文獻

第3章平衡

3.1托卡馬克平衡

3.2磁面函數

3.3格拉德沙弗拉諾夫方程

3.4安全因子q

3.4.1q分布

3.5比壓β

3.6大環徑比

3.7沙弗拉諾夫位移

3.8真空磁場

3.9電場

3.10粒子軌道

3.11粒子俘獲

3.12俘獲粒子軌道

3.12.1土豆軌道

3.12.2一般軌道

3.13等離子體旋轉

3.13.1離心效應

3.14電流驅動

3.14.1中性束注入

3.14.2低雜波電流驅動

3.14.3快波電子電流驅動

3.14.4電子回旋波電流驅動

3.14.5快波少數離子電流驅動

3.15小結

參考文獻

第4章約束

4.1托卡馬克約束

4.2電阻性等離子體擴散

4.3柱形等離子體中的擴散

4.4普費爾施施呂特電流

4.5普費爾施施呂特擴散

4.6香蕉區輸運

4.6.1動力學理論

4.6.2福克普朗克方程的解

4.6.3輸運系數

4.7平臺區輸運

4.8韋爾箍縮效應

4.9自舉電流

4.10新經典電阻率

4.11波紋輸運

4.11.1碰撞波紋阱的俘獲輸運

4.11.2快粒子的波紋阱損失

4.11.3碰撞波紋擴散

4.11.4隨機擴散

4.11.5實驗研究

4.12約束模式和定標律表達式

4.12.1歐姆加熱等離子體

4.12.2L模約束

4.12.3H模約束

4.12.4其他的改善約束模

4.13H模

4.14內部輸運壘

4.15定標律

4.15.1理論

4.15.2實驗定標關係

4.16輸運系數

4.17漲落

4.17.1觀測結果

4.17.2與輸運的相關性

4.18湍流引起的輸運

4.18.1靜電漲落引起的輸運

4.18.2磁漲落引起的輸運

4.18.3準線性理論

4.18.4飽和水平與輸運通量

4.19徑向電場剪切與輸運

4.20引起反常輸運的不穩定性候選模式

4.21湍流模擬

4.22臨界梯度、邊緣輸運壘和臺基

4.23雜質輸運

4.24實驗發現

4.24.1X事件和功率關斷實驗

4.24.2LH轉換

4.24.3窄的轉換區間

4.25輻射損失

4.25.1軔致輻射

4.25.2回旋（同步）輻射

4.26雜質輻射

參考文獻

第5章加熱

5.1等離子體加熱

5.2歐姆加熱

5.3中性束注入

5.4中性束加熱

5.4.1束的慢化

5.4.2離子電子加熱比例

5.4.3分布函數

5.4.4實驗

5.5中性束的產生

5.5.1離子源

5.5.2加速器

5.5.3中性化室

5.5.4負離子源

5.6射頻波加熱

5.7射頻加熱物理

5.7.1波的偏振

5.7.2局域描述

5.7.3全波描述

5.7.4波粒子無碰撞耗散

5.7.5平衡分布函數的演化

5.8離子回旋共振加熱

5.8.1雙離子成分等離子體的加熱模式

5.8.2少數粒子臨界濃度

5.8.3熱化的少數粒子分布函數

5.8.4實驗進展小結

5.9低雜波共振加熱

5.10電子回旋共振加熱

參考文獻

第6章磁流體力學的穩定性

6.1磁流體力學穩定性

6.2穩定性理論

6.3增長率

6.4能量原理

6.5托卡馬克不穩定性

6.6大環徑比托卡馬克

6.7扭曲不穩定性

6.8撕裂模

6.8.1外部區域

6.8.2電阻層

6.9撕裂模的穩定性

6.9.1導體壁邊界條件

6.10內扭曲模

6.11電阻性m=1模

6.11.1電阻性m=1扭曲模

6.11.2m=1撕裂模

6.11.3統一的m=1理論

6.12局域模

6.13氣球模

6.14氣球模穩定性

6.15軸對稱模

6.16電阻壁模

6.17環向阿爾文本征模

6.18β極限

參考文獻

第7章宏觀不穩定性

7.1各種不穩定性

7.2磁島

7.3撕裂模

7.3.1內部驅動撕裂模

7.3.2新經典撕裂模

7.4米爾諾夫不穩定性

7.5電流穿透

7.6鋸齒振蕩

7.6.1卡多姆采夫模型

7.7破裂

7.8破裂的原因

7.8.1低q破裂

7.8.2密度極限破裂

7.9破裂的物理機制

7.9.1撕裂模不穩定性

7.9.2撕裂模的增長

7.9.3快變階段

7.9.4電流衰減

7.9.5逃逸電子電流

7.9.6真空室壁的感應電流

7.10鎖模

7.11誤差場不穩定性

7.12垂直不穩定性

7.13遍歷性

7.14魚骨不穩定性

7.15阿爾文不穩定性

7.15.1阿爾文級聯

7.16MARFE

7.17邊緣局域模

7.18運行綜述

參考文獻

第8章微觀不穩定性

8.1各種微觀不穩定性

8.2電子漂移波

8.3通行粒子不穩定性

8.3.1電子漂移波模

8.3.2環形電子漂移模

8.3.3ηi模或離子溫度梯度模

8.3.4ηe模

8.4俘獲粒子不穩定性

8.4.1無碰撞俘獲粒子不穩定性

8.4.2耗散俘獲粒子不穩定性

8.4.3俘獲離子模

8.4.4耗散性俘獲電子模

8.5微撕裂模

參考文獻

第9章等離子體與表面的相互作用

9.1等離子體與約束表面的相互作用

9.2等離子體鞘

9.3限制器

9.4刮削層

9.4.1刮削層內Te和ne的徑向分布

9.4.2LCFS外的平行輸運

9.5再循環和氚滯留

9.5.1氚滯留

9.6原子與分子過程

9.7壁處理

9.7.1放電清洗

9.7.2金屬薄膜

9.7.3非金屬膜

9.8濺射

9.8.1物理濺射

9.8.2化學濺射

9.8.3濺射模型

9.9材料選擇

9.10起弧

9.11偏濾器

9.11.1一維刮削層模型

9.11.2刮削層中徑向功率分布

9.11.3偏濾器內功率的體損失率

9.11.4SOL中的平行流

9.11.5偏濾器中的流

9.11.6一般設計考慮

9.12熱流、蒸發和熱輸運

參考文獻

第10章診斷

10.1托卡馬克診斷

10.1.1測量結果的解釋

10.2磁測量

10.2.1等離子體電流

10.2.2環路電壓

10.2.3等離子體表面

10.2.4等離子體位置和形狀

10.2.5等離子體的能量和內電感

10.2.6不穩定性的測量

10.3干涉法

10.3.1旋光法

10.3.2科頓穆頓效應

10.4反射法

10.5電子溫度的測量

10.5.1湯姆孫散射

10.5.2電子回旋輻射

10.6離子溫度與離子分布函數

10.6.1中性粒子的產生

10.6.2用中性粒子分析器得到Ti

10.6.3用電荷交換譜儀測量Ti

10.7等離子體輻射

10.7.1電離態

10.7.2輻射的產生

10.7.3總輻射功率

10.7.4測量輻射

10.8總輻射測量

10.8.1輻射量熱計

10.8.2軟X射線

10.9斷層掃描成像術

10.10朗繆爾探針

10.10.1探針類型

10.10.2單探針

10.10.3雙探針

10.10.4三探針

10.11漲落的測量

10.11.1重離子束探針

10.11.2束發射譜

10.11.3e的散射測量

10.11.4e的相關測量和多普勒反射計測量

10.11.5e的ECE相關測量

10.12q分布的確定

10.13聚變產物測量

10.13.1中子通量

10.13.2活化探針

10.13.3中子譜儀

10.13.4中子和g分布的監測

10.13.5α粒子的測量

參考文獻

第11章托卡馬克實驗

11.1中小型托卡馬克實驗

11.2T3——庫爾恰托夫研究所（莫斯科）

11.3ST——普林斯頓大學等離子體物理實驗室（美國）

11.4JFT2——日本原子能研究所（東京）

11.5Alcator A，Alcator C和Alcator CMod——麻省理工學院（美國）

11.5.1Alcator CMod

11.6TFR——法國原子能委員會（法國）

11.7DITE——卡拉姆實驗室（英國阿賓登）

11.8PLT——普林斯頓大學等離子體物理實驗室（美國）

11.9T10——庫爾卡托夫研究所（莫斯科）

11.10ISX——橡樹嶺國家實驗室（美國）

11.11FT和FTU——能源研究中心，弗拉斯卡蒂，義大利

11.11.1FTU

11.12DⅢ——通用原子能公司（美國聖地亞哥）

11.13ASDEX——馬克斯·普朗克等離子體物理研究所（德國伽興）

11.14TEXT——德克薩斯大學奧斯汀分校（美國）

11.15TEXTOR——基礎科學研究中心（德國於利希）

11.16Tore Supra——CEA（法國卡達拉什）

11.17COMPASS——UKAEA卡拉姆科學中心（英國阿賓登）

11.18RTP——FOM等離子體物理研究所（荷蘭Rijnhuizen）

11.19START——卡拉姆實驗室（英國阿賓登）

11.20MAST——CCFE卡拉姆科學中心（英國阿賓登）

11.21NSTX——普林斯頓大學等離子體物理實驗室（美國）

11.22TCV——瑞士理工大學等離子體物理研究中心

11.23托卡馬克參數

參考文獻

第12章大型托卡馬克

12.1大型托卡馬克實驗

12.2TFTR——美國普林斯頓大學等離子體物理實驗室

12.2.1歐姆加熱等離子體

12.2.2高功率加熱實驗

12.2.3MHD研究

12.2.4輸運和約束

12.2.5氘氚混合實驗

12.3JET——歐洲聯合環（英國阿賓登）

12.3.1限制器實驗

12.3.2磁分離實驗

12.3.3磁流體力學行為和運行極限

12.3.4輸運與約束研究

12.3.5偏濾器研究和等離子體表面相互作用

12.3.6電流驅動和剖面控制實驗

12.3.7高性能等離子體和氘氚實驗

12.4JT60/JT60U——日本原子能研究院（日本那珂）

12.4.1JT60上的加熱和約束

12.4.2偏濾器研究

12.4.3電流驅動和穩態運行

12.4.4MHD研究

12.4.5JT60U上的約束和聚變性能

12.5DⅢD——通用原子公司，聖地亞哥，美國

12.5.1約束和H模的研究

12.5.2增強約束和高性能

12.5.3MHD研究

12.5.4電流驅動

12.5.5偏濾器性能

12.6ASDEX Upgrade——馬克斯·普朗克等離子體物理研究所（德國伽興）

12.6.1ASDEXU的主要參數

12.6.2偏濾器物理

12.6.3等離子體與壁的相互作用和作為第一壁材料的鎢

12.6.4與運行邊界相關的等離子體邊緣區

12.6.5約束與輸運研究

12.6.6ELM搏動、粒子輸運、加料和密度剖面

12.6.7先進運行模式和內部輸運壘

12.6.8磁流體力學穩定性

12.7EAST——等離子體物理研究所（中國合肥）

12.8KSTAR——先進研究、國家聚變研究院（韓國大田）

參考文獻

第13章未來

13.1現狀

13.2戰略

13.3反應堆要求

13.3.1約束

13.3.2破裂

13.3.3排氣

13.3.4技術

13.4反應堆功率平衡

13.4.1H模約束

13.4.2α粒子功率

13.4.3L模約束

13.4.4H模閾值

13.4.5軔致輻射

13.4.6動力反應堆

13.4.7實驗反應堆

13.5ITER

13.6ITER的性能評估

13.6.1運行模式

13.6.2感應驅動

13.6.3穩態運行

13.7前景

13.7.1發電廠

13.7.2展望

參考文獻第14章附錄

14.1矢量關係

14.2微分算子

14.3單位及其變換

14.4物理常數

14.5庫侖對數

14.6碰撞時間

14.7長度

14.7.1德拜長度

14.7.2拉莫爾半徑（熱粒子，v2⊥=2v2T）

14.7.3平均自由程（vT×碰撞時間）（Z=1）

14.8頻率

14.8.1等離子體頻率

14.8.2回旋頻率

14.9速度

14.9.1熱速度

14.9.2阿爾文速度

14.10電阻率

14.11χi的張欣頓（ChangHinton）公式

14.12自舉電流

14.13約束定標關係

14.14等離子體形狀

14.15公式

14.16符號

參考文獻