仿星器和托卡馬克有什麼區別?
上面已經說的很好啦~
補充一些基礎內容,圖片、視頻和新的結果~
直觀的區別——
托卡馬克就像個游泳圈,帥!
仿星器,像個用鬆了的發箍——丑!
但是真把這麼歪歪扭扭裝置設計加工出來,真的是超級難啊。
言歸正傳,原理上的差別——
簡單講,區別就是托卡馬克的環形螺旋磁籠產生需要等離子體電流,仿星器不需要,直接通過外部線圈產生扭曲的環形磁籠。
稍微科普下:
可控核聚變難點在於聚變的產生與聚變物質的約束方法。產生就不說了。
地球上公認可行的約束方式有磁約束和慣性約束。
為什麼不能用電約束呢?因為無法構造出三維的閉合電場。(謝@ruran君提醒,有靜電約束裝置fusor,內部是陽離子~ 有興趣可以DIY,詳見: Fusor.net)
為什麼不能用重力約束呢?審題!地球上~~
慣性約束行不行呢?筆者是做激光的,說句得罪同行的話,慣性約束是個坑。對,神2神3是大坑,NIF是天坑。激光能做到千赫茲嗎?靶怎麼換?單說增益有什麼用!用萬院士的話說:你用一分錢賺了一毛錢,然後說你多牛逼能賺大錢,合適嗎?
這些點火裝置基本上都是干別的活的,打著發展新能源的幌子模擬核爆什麼的。(這部分不多扯,免得查水表了。)
那就只剩下磁約束了。
磁約束首先要構造封閉的磁力線,否則帶電粒子沿磁力線自由運動,hold不住,飛出去就損失掉了。
那麼最簡單直接的搞法是,一系列通電線圈沿著大環圍出一個環形磁場。
假設此時僅存在外部磁場,此時磁場是一系列的同心圓磁力線,且內側磁場強度大於外側,帶電粒子受磁梯度力的影響,會導致電荷分離電場,進而造成等離子體整體向外漂移:
也就是說這種簡單磁場無法約束帶點粒子。那麼如果構造一個如下圖所示的磁力線,每根線既過上邊也過下邊,可以抵消電荷分離。
具體以含鐵芯變壓器的托卡馬克為例,如下圖:
初級線圈、鐵芯和環狀的等離子體共同組成了一個變壓器,初級線圈將電流加至最大後突然撤銷,鐵芯產生變化磁場,通過變化的磁場在環形等離子體中感生一個大電流,電流再產生一個極化的磁場(poloidal magnetic field),這個極化磁場加上原先的環形磁場(toroidal magnetic field),合成一個環形螺旋的磁場(twisted helical magnetic field)。
另外由於存在熱膨脹力和中心內環向外的磁壓力,等離子體環會向外膨脹擴散,需要再加一個垂直環面的極化磁場將等離子體流體向內推,使穩定在平衡位置。因此托卡馬克裝置的磁容器由三部分組成:環形磁場+等離子體電流磁場形成環形螺旋場,極向磁場控制約束高溫等離子流體的平衡位形。
極化磁場通常比環形磁場小得多,因為較強的環形磁場有利於克服等離子流體的不穩定。一條磁力線繞小環一圈所需要繞大環的圈數,稱為安全因子q值。通常q越大,等離子體環向電流越小,等離子磁流體的穩定性越好。
但托卡馬克裝置中,實際的等離子體電流高達上千萬安培,這會帶來一系列問題:扭曲模、磁面撕裂、磁島產生等,都會降低對等離子流體的約束;失控的話輕則熄火重則爆炸,需要花大力氣研究。
換言之,等離子體電流形成的極向磁場使得磁籠的構成非常簡潔,但高溫(10^8K)、大電流(10^7A)的控制令人煞費苦心。
============分=======割========線============
仿星器的做法就是:內部的等離子體電流不要了,把等離子體電流控制的難度轉移為三維磁場設計和線圈加工安裝的難度,直接通過外部複雜的線圈,在內部搞出閉合、扭曲的環狀磁籠。
W7-X的磁容器設計【1】:
外部線圈為螺旋繞組,產生旋轉變化的磁場。
3D模型:
50個藍的是不規則超導線圈,20個黃的是普通環形線圈。
由於無等離子體環電流,運行更安全,有望建立小型、穩態反應堆。
仿星器懂的不多,不強答了。
分享兩個科普:
W7-X仿星器介紹:
Germany is about to start up a monster machine that could revolutionize the way we use energy
網易公開課:可控核聚變 ——萬元熙 院士
放兩張帥照:
德國W7-X:
我國全超導托卡馬克 EAST:
ITER太墨跡了。。。。
按上面的分析,iron man很可能是用的stellarator。逃~)
參考文獻:
[1] Renner H, Boscary J, Erckmann V, et al. The capabilities of steady state operation at the stellarator W7-X with emphasis on divertor design[J]. Nuclear Fusion, 2000, 40(6): 1083.
謝謝邀請。
我說簡單點吧,最直觀區別當然是外形不一樣啦。這個是仿星器的簡要圖:Spitzer最早提議的仿星器位形是使真空室以及磁場方向構成部分上下重疊的「8」字形(圖2-4-1),使在兩個彎曲段向上和向下的粒子漂移抵消。這樣的設計在工程上實現比較困難。稍後,又提出環向線圈加螺旋繞組的方案(圖2-4-2),成為早期仿星器的標準位形。
本質上,兩者屬於同一種大類,都是磁約束聚變位形。
他們之間的區別在於:
托卡馬克:縱向磁場非常強,完全由外部的縱場線圈提供;然後等離子體電流貢獻極向磁場
仿星器:縱向磁場和極向磁場都完全由外部線圈提供,因此理論上它的運行可以沒有等離子體電流。因此可以避免很多由於電流分布帶來的不穩定性,這是它的一個主要優點。
另外,還有一種磁約束位形是反場箍縮,它的縱向磁場和極向磁場基本上都由等離子體電流提供,因此它的內部等離子體自組織行為非常豐富。它的優點在於歐姆加熱工作範圍很寬,有望直接用歐姆加熱這種最有效的加熱手段實現等離子體燃燒。這是W7,還參觀過st1,似乎不讓拍照,找到了就放上來,EAST和JTEXT的很多人有就不放了
我就聽明白都是磁約束,一個是甜甜圈,一個是麻花狀;托卡馬克的環形螺旋磁籠產生需要等離子體電流,仿星器不需要,直接通過外部線圈產生扭曲的環形磁籠。控制更加準確,不知道對不對?
其實都是磁約束聚變裝置,殊途同歸。真正的恆星是引力約束聚變,不知道高到哪裡去了,無奈渺小的地球人眼下根本不可能造出那麼大號的聚變堆來實現引力約束
推薦閱讀: