托卡马克装置

讲义

王 龙

核工业西南物理研究院

20xx年

前言

本讲义是作者在华中科学技术大学和北京大学给研究生开课时的讲稿的基础上写成的。课程本意是给予刚进入磁约束聚变领域从事实验研究的学生和其他人员提供一些基本知识和研究方法。因为目前磁约束聚变研究的主要方向仍是以托卡马克为代表的环形系统，所以讲义内容以托卡马克为主。内容和等离子体物理的衔接以郑春开教授所著《等离子体物理学》（北京大学出版社，20xx）为准。

本讲义可以分为上下两编。上编为1-6章，算做基础知识，也包括等离子体平衡在内。下编为7-10章，主要讲述一些研究领域，包括宏观和微观问题、辅助加热和电流驱动以及边界问题。

因为本讲义属于大学本科或研究生教程，各章所列参考文献主要是一些容易获得的总结性文章，以供对有关问题做进一步的了解。为与阅读文献衔接，在引入一些专有名词时，注明了英文译法。

因为本领域涉及面广，内容庞杂，发展迅速，以作者之浅陋，本不足当此任，勉强草就，自觉汗颜，错误之处，在所难免，望海内有识之士指教，俟后修改。

目录

第一章，引言

1.1 能源需求（1） 1，能源需求的预测（1），2，核能的发展（1），3，聚变能源（2） 1.2 热核聚变反应（3） 1，p-p反应（4），2，主要可用聚变反应（4），3，反应速率

（5），4，氦3反应（7），5，聚变-裂变混合堆（8） 1.3 实现聚变反应的条件（9） 1，点火条件（9），2，得失相当（10），3，Lawson判

据（10）

1.4 带电粒子在磁场中的运动（11） 1，回旋运动和粒子漂移（11），2，绝热不变量

(13)，3，环形装置中的粒子漂移（14）

1.5 磁约束聚变和惯性约束聚变（15） 1，磁约束聚变（15），2，惯性约束聚变（16） 1.6 磁约束聚变研究的历史（19）1，发展简史（19），2，ITER（21），3，聚变研究在

中国（23）

第二章，磁约束聚变装置的类型

2.1 磁约束聚变装置的分类（27）

2.2 托卡马克（28）1，结构和特点（28），2，交流运行托卡马克（30），3，国内外主

要装置（30）

2.3 球形环（32）1，结构和特点（32），2，工程问题（33），3 主要装置（34） 2.4 仿星器（35） 1，一般特点（35），2，仿星器类型（36） 2.5 磁镜（38） 1，简单磁镜（38），2，标准磁镜（39），3，串列磁镜（41） 2.6 箍缩类装置（44） 1，Z箍缩（44），2，角向箍缩（45），3，反场箍缩（45），4，

Z箍缩的新时代（47）

2.7 紧凑环（48） 1，球马克(48)，2，场反位形（50） 2.8 内环装置（50）

2.9 原理性实验装置（52） 2.10 中小型装置的作用（54）

第三章，托卡马克工程

3.1 环向磁体（58） 1，环向磁体结构（58），2，圆形线圈受力分析（59），3，纯张

力线圈（61）

3.2 极向场系统（64） 1，欧姆变压器（64），2，铁心变压器（66），3，平衡场磁体

（69），4，矫正场（69），5，放电程序（71）

3.3 磁体和电源（72） 1，常温脉冲磁体（72），2，超导磁体（76） 3.4 被动导体（78） 1，环形导电真空室的电参数（79），2，真空室对等离子体平衡

的作用（81），3，矩形真空室（82） 3.5 真空室（83） 1，真空室壁的作用（83），2，材料和结构（83），3，第一壁和结

构材料（85），4 包层（86），5真空室的壁处理技术（87） 3.6 排灰（89） 1，真空过程的计算（89），2，抽气系统（90），3 偏滤器（93） 3.7 加料（94） 1，吹气（94），2，电磁脉冲阀（94），3，弹丸注入（95），4，超声

分子束（96），5，等离子体团注入（97） 3.8 射频系统（98） 1，射频波注入系统（98），2，高功率微波源（99），3，电磁波

的传输（101），4，电磁波的发射（102）

3.9 中性粒子注入器（103） 1，中性粒子注入器（103），2，负离子源的注入器（104） 3.10 击穿和预电离（105） 1，击穿条件（105），2，预电离（106） 附录（108）

第四章，环形等离子体的基本性质

4.1 环形等离子体位形（111） 1，轴对称系统的磁面（111），2，安全因子（113），3，

磁面坐标（114），4，仿星器位形（115）

4.2 粒子运动（116） 1，带电粒子在轴对称系统中的运动（116），2，环形等离子体

内的粒子运动（117），3，Ware箍缩和自举电流（122），4，参数空间的轨道区域和非标准轨道（124），5，环向场波纹度造成的损失（127） 4.3 Grad-Shafranov方程（128） 1，磁面函数（128），2，Grad-Shafranov方程（129），

3，近环近似（131）

4.4 真空磁场和平衡性质（134） 1，真空磁场（134），2，环坐标中的真空解（137），

3，等离子体比压（138），3，等离子体内感（141） 4.5 等离子体电路（142） 4.6 Pfirsch-Schlüter电流（145）1，逆磁漂移（145），2，Pfirsch-Schlüter电流（146）

第五章，等离子体诊断

5.1 概述（151） 1，诊断之意义（151），2，诊断方法（152） 5.2 磁测量（154） 1，磁探圈（154），2，逆磁线圈（155），3，Rogowski线圈（156），

4，测量位移的线圈（圆截面）（157），5，测量磁面的方法（158），6，Mirnov探圈和关联探圈（161），7，导电真空室的屏蔽问题（161），8，其它测量磁场的方法（162）

5.3 静电探针（163） 1，等离子体鞘（163），2，单探针（164），3，双探针（168），

3，三探针（169），4，静电探针的使用（170），5，其它固体探针（170），6，静电探针探测涨落信号（173）

5.4 等离子体的辐射探测（174） 1，概述（174），2，辐射探测器件（176），3，连续

辐射测量（179），4，特征线辐射与日冕模型（181），5，其它类型辐射测量（186），6，主动光谱（189），7，电子回旋发射（ECE）（193） 5.5 折射和反射测量（195） 1，干涉仪（195），2，偏振仪（198），3，微波反射仪（200） 5.6 电磁波散射测量（201） 1，电磁波的散射理论（201），2，相干散射和非相干散

射（204），3，非相干散射（207），4，集体散射（211）

5.7 粒子测量（213） 1，中性粒子能谱仪（213），2，中子探测（214），3，α粒子探

测（215），4，重离子束探针（216）

第六章，诊断的数据处理

6.1 图像重建（221） 1，探测光路几何（221），2，Abel变换（222），3，层析（224），

4，最大熵方法（227）

6.2 模式分析（229） 1，Fourier变换及其存在问题（229）， 2，奇异值分析（230），

3，HHT（233）

6.3 涨落数据处理（236） 1，时间序列测量（236），2，功率谱的测量（237）， 6.4 湍流信号的非线性性质分析（241） 1，几率分布函数分析（241），2，小波变换

（242），3，相干结构的探测（245）

第七章，磁流体不稳定性

7.1 概论（251）

7.2 理想磁流体不稳定性（253） 1，扭曲模（253），2，气泡模和第二稳定区（256），

3，β极限（259）

7.3 非理想磁流体不稳定性（261） 1，磁岛几何（261），2，撕裂模（263），3，锯齿

振荡（265），4，新经典撕裂模（267） 7.4 边缘区的不稳定性（269） 1，边缘局域模（269），2，边缘多层次非对称辐射（272），

3，电阻壁模（274）

7.5 高能粒子产生的不稳定性（275） 1，鱼骨不稳定性（275），2，环向阿尔文本征

模（277）

7.6 密度极限和先进模式（278） 1，密度极限（278），2，先进模式（281） 7.7 破裂和有关现象（286） 1，破裂（286），2，有关物理现象（290），3，破裂的对

策（293）

第八章 输运和约束

8.1 实验研究方法（297） 1，能量约束时间和粒子约束时间（297），2，输运系数的

测定（299），3，量纲分析（302），4，托卡马克的输运图像（304） 8.2 输运系数模型和实验定标率（305） 1，经典输运（306），2，新经典输运（307），

3，玻姆扩散和回旋玻姆扩散（309），4，实验能量定标率（310） 8.3 改善约束模（311） 1，H模（311），2，其它类型的改善约束模（314），3，对H

模的理解（319）

8.4 微观不稳定性（322） 1，湍流基本知识（322），2，湍流测量结果（325），3，极

化漂移（326），4，漂移波模型（327），5，各种漂移波类型（329），6，Hasegawa-Mima方程（331）

8.5 带状流及其对湍流输运的作用（332） 1，雷诺协强研究（332），2，带状流（334），

3，带状流的激发（337），4，带状流的作用（338） 8.6 电子输运和大尺度结构（338） 1，轮廓刚性（338），2，台基物理（339），3，瞬

态输运（340），4，电子内部输运垒（341），5，大输运事件和介观尺度结构（341），6，磁涨落（344）

8.7 粒子输运（345） 1，工作粒子输运（345），2，杂质输运（347）

第九章 辅助加热和非感应电流驱动

9.1 引言（351）1，欧姆加热的缺点（351），2，驱动电流轮廓的计算（352） 9.2 中性粒子束注入（353） 1，束的吸收（353），2，束的加热（354），3，实验研究

（355），4，电流驱动（355），5，产生旋转（356） 9.3 射频加热和电流驱动（356) 1，冷等离子体近似（356），2，波的耦合（360），3，

波的吸收（361）

9.4 电子回旋波（364） 1，电子回旋波加热（364），2，电子Burnstein波加热（365），

3，电子回旋波电流驱动（366）

9.5 离子回旋波段的加热（370）1，离子回旋波段的特点（370），2，两分量离子加热

（370），3，高次离子加热和离子Burnstein波（370） 9.6 低杂波电流驱动（371） 9.7 阿尔文波加热（372）

9.8 非感应电流启动（373）1，电子回旋波电流启动（373），2，同轴螺旋注入（374），

3，非螺线管电流启动（375）

第十章 边界区物理

10.1 删削层（377） 1，边界区（377），2，删削层特征（378），3，等离子体鞘（379） 10.2 偏滤器（380）

10.3 等离子体和壁相互作用（382） 1，循环和背散射（382），2，溅射（383），3，

其它表面过程（384），4，固体颗粒（385），5，等离子体和壁相互作用的诊断（386） 10.4 原子分子过程（387） 1，主离子（387），2，杂质（388）

第二篇：前言=总结

前 言

机械专业学生学习中的课程设计是考察学生全面掌握基本理论知识的重要环节。根据教务处的安排，在本学期最后三周的机械设计课程设计。我的设计任务是一个单机圆柱斜齿轮减速器，减速器是用于电动机卷筒之间之 间的独立式传动装置。

在这三周专业课课程设计当中，学到了很多东西。不仅加深了对所学知识的了解，巩固了所学知识，知道了如何很好地学以致用，把握继承与创新的结合，同时对一项设计过程如何去展开有一个大体的把握，即应该有一个大体的轮廓，采用自顶向下的设计方法，同时考虑在每一个部分、每一个过程当中与其他部分、过程的相互联系。感觉最繁琐的莫过于忽视了某个因素，导致了该部件设计必须重新开始，降低了设计速度，这应该在以后的设计过程当中应当尽量避免。同时要加深对专业知识的学习，对某些知识还是不是很清楚，只能简简单单套套公式进行计算或是计算不熟练，往往忽略某一因素而导致重新计算，突出的地方就是轴上力分析的时候，要么忽略力或由力产生的力矩，要么方向弄错，总之，第一根轴力分析还有轴承校核的时候计算了三四遍，在这以后要相当注意，要加强力学与工程应用这方面的学习。 在一点就是本次课程设计的装配图和零件图由三维直接生成二维，尤其是装配图，对自己来说也算是一个挑战，以前很少应用，这次应用，碰到的问题还是很多，因为国与国之间的标准不一样，同时也许因为软件相互间的转化功能不行，在转到Autocad里改了也不少，这对工作量来说也是很大，不过经过了本次尝试，自己学到的东西还是很多的，首先就是加深了PRO/E三维软件的学习，第二就是发现在用三维进行参数化设计还是很方便的，并且设计精度高和准确。再次，本次三维到二维的尝试，掌握了很多技巧，不管是查软件学习资料，还是自己慢慢摸索都对PRO/E、AutoCAD、word20xx排版等等都有一定的提高。

该减速器的设计基本上符合设计要求，限于作者初学水平，错误及不妥之处望老师批评指正。

周烽

20xx年x月

总 结

这次关于带式运输机上的单级圆柱斜齿轮减速器的课程设计是我们真正理论联系实际、深入了解设计概念和设计过程的实践考验，对于提高我们机械设计的综合素质大有用处。通过三个星期的设计实践，使我对机械设计有了更多的了解和认识.为我们以后的工作打下了坚实的基础.

1、机械设计是机械工业的基础,是一门综合性相当强的技术课程，它融《机械原理》、《机械设计》、《理论力学》、《材料力学》、《公差与配合》、《机械工程材料》、《机械设计手册》等于一体。

2、 这次的课程设计,对于培养我们理论联系实际的设计思想;训练综合运用机械设计和有关先修课程的理论,结合生产实际反系和解决工程实际问题的能力;巩固、加深和扩展有关机械设计方面的知识等方面有重要的作用。

3、 在这次的课程设计过程中,综合运用先修课程中所学的有关知识与技能,结合各个教学实践环节进行机械课程的设计,一方面,逐步提高了我们的理论水平、构思能力、工程洞察力和判断力,特别是提高了分析问题和解决问题的能力,为我们以后对专业产品和设备的设计打下了宽广而坚实的基础。

4、 本次设计得到了指导老师的细心帮助和支持。衷心的感谢老师的指导和帮助.

5、 设计中还存在不少错误和缺点，需要继续努力学习和掌握有关机械设计的知识，继续培养设计习惯和思维从而提高设计实践操作能力。