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聚变研究之 磁约束拓扑性质(1) 澳门永利娱乐官方网站登入

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已有 863 次阅读 2019-8-13 15:33 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记| 聚变, 磁拓扑, 仿星器

聚变研究之 磁约束拓扑性质(1)  2019年8月13日 哈尔滨 阴


前些日子写“聚变研究之不忘初心”,最后留了一句“仿星器另外说”。


因为牵涉到更大的题目——打算在下周杭州的暑期学校上讲一下。既然有人关心(当时就有585的同行提了),先在这里简单说说。


前文(聚变研究之不忘初心)讲了,托卡马克的优越性是物理稳定性和拓扑稳定性。环形装置都有拓扑稳定性,所以对比其它环形装置,托卡马克的优越性在于物理稳定性。怎么说呢?就是看谁更“像”q-pinch(角向箍缩),即相比环向磁场,极向磁场更小。


但是有一个例外,就是仿星器。仿星器(stellarator)是当年美国人提出的磁约束位形,字根stellar是“星的”意思,对应star(星——恒星)的形容词。我们中文把天上的都叫“星”——恒星、行星、卫星、彗星,英文各有各的名字:star, planet, moon (or satellite), comet。所以“星”们的能源来自聚变。地面实验室里的“人造星”(我们叫“人造太阳”)当然起一个“仿星器”的名字。这个“人造星”其实和托卡马克一样,都是把q-pinch两头对成一个环,然后用极向场实现“旋转变换”来消除环的内外不对称性,而且都保证了极向场比环向场小一个数量级——都是环形装置中最“像”q-pinch的。但是托卡马克的极向场主要是等离子体电流“自洽”产生的(叫做“自举电流”),而仿星器的极向场主要是外部线圈产生的。所以仿星器的线圈长这样:



托卡马克外观啥样大家都知道,不展示了。


因为约束等离子体的螺旋环状磁场几乎完全靠线圈实现,所以线圈结构非常复杂,且设计、制造要分享毫不差。在1950-1960年代,这几乎就是Mission Impossible。当时造出来的仿星器都实现不了设计指标,最后是托卡马克一统江湖。


美国人的伟大理想最后是号称“制造狂魔”的德国人实现的:2014年世界最大仿星器 Wandelstein X-7建成,举世瞩目。尽管目前参数比起托卡马克还差不少,但是人们还是报很大期望。国内也有几家学校纷纷跟进。


问题来了:


是几乎完全是外部磁场约束的仿星器更有优越性,还是极向场主要是等离子体电流产生的托卡马克更具优越性?


更进一步的问题:


是等离子体自己产生磁场的“自洽约束”(球形闪电、日地磁场都属于这种)更有利于实现磁约束聚变,还是人为外加的线圈产生磁场的“外部约束”更有利于实现磁约束聚变?


这个问题是在磁约束聚变圈子里常常被提出来的,也是关心聚变的公众所注意的。




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