踏上等离子体物理之路分享 http://blog.sciencenet.cn/u/xiehuasheng

博文

"球马克"不是“球形托卡马克”,“场反位形”不是“反场箍缩”,“放电时间”不是“能量约束时间”

已有 1321 次阅读 2021-7-4 10:30 |系统分类:科普集锦

     在学术领域,许多专有名词在不注意的情况下,很容易混淆。比如在聚变领域,最常见的错误是把“球形托卡马克(spherical tokamak)”简称为“球马克(spheromak)”,而它们实际是非常不同的装置。


1. 球形托卡马克 vs 球马克


托卡马克(tokamak)

托卡马克(tokamak)来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka),单看这个名字组合,绝大部分环形磁约束聚变装置都有这四个特征。比如,这里的“马克”实际只是指“磁线圈”,而几乎每种磁约束装置都会有磁线圈。实际上现在对于托卡马克,我们已经特指前苏联发明的一种装置,目前是全球磁约束聚变能源研究的最主流装置。托卡马克主要由环向场线圈、极向场线圈及真空室构成。


球形托卡马克(spherical tokamak)

属于托卡马克,只是大半径R与小半径a之比A=R/a比较小。一般而言A>=3,是标准的托卡马克,接近轮胎形;A<=2是标准的球形托卡马克,接近球形,或者苹果形。 其环向磁场主要由穿过中心柱的外部线圈产生。由于其相对于传统托卡马克,更紧凑,因而也已经是一种主流的聚变研究装置,如普林斯顿的NSTX、英国的MAST。


球马克(spheromak)

没有中心柱,更接近球形,环向磁场主要由等离子体自身的电流产生,属于一种自组织装置。通常其聚变三乘积(密度、温度和能量约束时间)三个参数都还很低,离聚变能源的距离还非常远,因而目前只有少数人用它进行基础研究。


简说:球形托卡马克和球马克最大的区别是,前者有中心柱,后者无中心柱。球形托卡马克就是一种胖一点的托卡马克。国内目前清华大学的SUNIST及在建的SUNIST2、新奥的玄龙50、南昌大学的NCST,都是球形托卡马克,都不是球马克!如果要简称,可称为“ST”或者“球托”(清华高喆教授的建议)或者“球形环(spherical torus)”。目前全世界的球马克很少,最活跃的暂只有加州理工大学P. M. Bellan教授组的一个装置。


顺带对另几个易混淆的概念进行区分。


2. 场反位形 vs 反场箍缩


场反位形(field reversed configuration,FRC)

一种线性装置,装置结构与磁镜(mirror)看起来比较像,当内部等离子体的反向电流比外部线圈的电流产生的磁镜磁场大的时候,内部磁场在部分区域会反向,形成封闭的磁场结构,从而一定程度上可避免磁镜装置的两端损失。如果把装置竖起来,则也可以看成一种环形装置,就是一种没有环向磁场(或者环向磁场非常弱)的球马克。如果我们只看(R,Z)截面的磁通结构,FRC与ST非常类似,只是FRC的内部边界可到R=0,而ST由于中心柱的限制不能到R=0。由于其结构简单,国内在做聚变的团队和做空间推进器的团队,已建造过不少FRC。温度、密度参数最高的是九院的“荧光一号”,通过角向箍缩(theta-pinch)方式产生。国外最有名的是三阿尔法(Tri alpha)公司的C2\C2-U\C2-W系列。


反场箍缩(reversed field pinch,RFP)

一种环形装置。结构看起来很像托卡马克。不过其环向磁场比较弱,并且在边界处反向。RFP通常一次放电的时间比较短,100ms级别,这是“箍缩”装置的特点。目前国内只有中科大刘万东教授课题组的KTX属于RFP。


简说:FRC反的是极向磁场,RFP反的是环向磁场,两者是不同的装置。目前国内只有中科大KTX是RFP,其他都是FRC,包括中科大孙玄教授的KMAX(大部分时候是磁镜状态运行,少数情况可形成FRC)。部分文献把FRC翻译成“反场构型”或“反场构形”,加剧了这种混淆,这需要国家层面的名词审定委员会进行规范化。


3. 放电时间 vs 能量约束时间


这两个词也是聚变研究领域中经常被混淆的概念,尤其在不少非专业人员写的科普文章中误用。


放电时间

是指装置从启动到结束放电的时间,比如最近报道的“中国人造太阳在1亿摄氏度‘燃烧’100秒”中的100秒就是放电时间。


能量约束时间

是指等离子体内能的特征耗散时间。可类比为一滴墨水滴入一杯热水中,墨水从杯子中心扩散到杯壁的时间。对聚变装置,能量约束时间通常比较难直接获得,而是通过间接的方式进行测量。比如最常用的测量方式是在放电稳态情况下,测量等离子体的储能W,此时耗散的能量损失功率与加热的功率P达到平衡,则能量约束时间tau=W/P。按这种方式,合肥的EAST和成都的HL-2A的能量约束时间大部分情况是在30-200ms之间。另外,大部分情况是放电时间长于能量约束时间,但有些情况也会出现能量约束时间长于放电时间。


简说:对于未来聚变堆,一次放电的运行时间可以超过1000秒,而能量约束时间通常比较短,对于国际热核聚变堆ITER的外推设计值也只有不到5秒。要是能量约束时间能等价于放电时间,那聚变能源早已实现:p


xiehuasheng

2021-07-04 10:29



https://blog.sciencenet.cn/blog-222053-1293990.html

上一篇:第一次做科普直播--聚变能源研究进展和挑战

3 尤明庆 李宏翰 宋俊

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-12-4 17:29

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部