等离子体科学分享 http://blog.sciencenet.cn/u/等离子体科学 俱怀逸兴壮思飞,欲上青天揽明月

博文

聚变之路谁先行(3) 精选

已有 4858 次阅读 2018-3-30 21:59 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记| 聚变, 理论, CFETR, 平衡与稳定性

【前面两篇里留言朋友的支持与建议,在这里一起感谢,就不一一回复了。


Princeton回来的F教授在朋友圈提出:1990年代末TFTR的氘氚聚变是否算“引领”,笔者觉得不能算。原因有二:第一,那些实验实际上是TFTR“生命最后的绽放”——以自身的“死亡”来证明受控氘氚聚变的可行性——悲壮、却无成功的喜悦;第二,实验结束TETR装置就退役了,没有升级版、更没有后继新装置,氘氚聚变等离子体物理的研究也没有因此而开始。后来欧洲的JET也进行了氘氚聚变,参数更高、且装置也至今在运行着,但因为也没有继续将氘氚聚变实验做下去,所以也不能算“引领”


—— 这个说法可以争论。


笔者的观点:实际上,除了那几次实验,我们从1950年代开始的聚变研究,只能算“走向聚变研究”(to-fusion ),即:所研究的“聚变等离子体”(fusion plasmas)实际上只能称“前聚变等离子体”(pre-fusion plasmas)


—— 因此而有本文。】



第六届磁约束聚变等离子体理论与模拟研讨会今天在大连召开。

 

应用基础科学研究,常常都是理论先行。但1960年代以来,磁约束聚变理论研究一直跟在实验后面。唯一一次理论领先的,是环形阿尔芬本征模(TAE:Toroidal Alfven Eigenmode)的发现(三位陈姓华人(包括浙江大学的陈骝教授)首先在理论上推导出,然后另一位华人在实验上观测到)。

 

到了实现聚变、产生聚变能的燃烧等离子体物理研究阶段,理论研究该领先一把了!

 

燃烧等离子体是与现阶段研究的托卡马克等离子体有重大区别的一种等离子体。

 

必须指出的是:现阶段重点研究的托卡马克等离子体(或其它磁约束等离子体)只能算是“走向聚变”的等离子体,而不是真正的氘氚聚变等离子体。


1. 从研究目标看:

现阶段托卡马克等离子体研究的目的还主要是为改善等离子体约束、提高等离子体温度以达到Lawson判据条件,实现“得失相当”(breakeven,即氘氚聚变反应得到的能量与用以加热等离子体的输入能量大致相等),直至获得超过输入能量的氘氚聚变能。所以我们现在研究的等离子体实际是“前聚变”等离子体(pre-fusion plasmas)。


2. 从研究手段看:

现阶段托卡马克等离子体研究主要基于“双分量”模型,即除电子外只有单一成分的离子;即使有时考虑同位素效应或杂质效应,也是作为占比非常小的“扰动”;而且是一个封闭系统:比如粒子数守恒只是简单的“保守”原有的粒子,不涉及粒子的产生(聚变反应生成alpha粒子)与减少(聚变反应引起的氘氚离子的“聚合”)。

而燃烧等离子体的理论模型中至少要有3种离子成分:氘、氚、alpha粒子,并有大规模的氘氚反应引起大量氘氚离子的“损失”loss和alpha粒子产生;为了维持粒子数守恒(稳态运行要求),必须有大规模的加料(补充氘氚粒子损失)和排灰(来平衡不断产生的alpha粒子)过程。这是“粒子控制”必须研究的内容。

 

这里面的关键科学问题是:


(1)从聚变反应发生的初始温度、密度分布看,氘氚离子的“损失”主要发生在等离子体芯部的中心区域,而加料过程主要发生在等离子体边缘;因为磁约束和温度密度梯度的原因,边缘氘氚离子向芯部输运极其困难。

 

 




  

等离子体密度的“笔架”形分布


(2)长时间的积累效应使得最中心区域的等离子体密度下降,边缘区的等离子体密度升高,造成密度的“笔架”分布。这种分布的MHD稳定性没有被研究过。这应该是磁流体(MHD)稳定性的关键。


(3)聚变产生的高能量alpha粒子在慢化、热化后要在边缘作为氦灰排除,而因为氦离子的回旋半径与氘离子差不多,更小于氚离子,排灰过程不可避免地要带走大量的氘氚。这给加料过程带来更多的挑战。这也应该是“粒子控制”的重要研究内容。

 

上述关键科学问题是CFETR(和其它以产生聚变能为目的的装置)堆芯物理参数设计需要优先解决的。


而在现阶段,只能在理论上先走一步!




http://blog.sciencenet.cn/blog-39346-1106563.html

上一篇:聚变之路谁前行?(2)
下一篇:聚变之路谁先行(4)

6 李景春 胡文慧 李毅伟 杨新铁 蒋德明 迟延崑

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (18 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-10-23 21:49

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部