等離子體加熱

常用的等離子體的加熱方法有歐姆加熱、壓縮加熱、波加熱和中性粒子束注入加熱。 ^[1] 

等離子體是導體，具有一定的電阻。當電流通過等離子體時，等離子體因有電阻而發熱。由歐姆定律可 知，熱功率密度為p=ηj²，式中j為電流密度，η為等離子體的電阻率。η=2.8×10^－8/T_e^3/2（歐姆·米），T_e為電子温度，單位是千電子伏。很顯然電子温度升高時等離子體電阻率下降，加熱功率也隨之降低。因此，在較高温度時歐姆加熱效果會變得很差，單憑歐姆加熱是不能把等離子體加熱到點火温度的。歐姆加熱是託卡馬克等離子體加熱的基本方法。 ^[1] 

常見的壓縮加熱方法有以下幾種。

激波加熱。理論表明，無論流體是否處於磁場中，經激波掃過後流體的温度大約是原來温度的M²（M為馬赫數）倍。假如M=100，則激波掃過後流體的温度可提高10,000倍。如果流體是磁場中的等離子體，則經激波掃過後等離子體的温度能顯著提高。利用流體中產生的激波來加熱等離子體的方法稱為激波加熱。在受控熱核研究的箍縮裝置中，用大電流快速放電方法建立的磁場作為活塞（稱為磁活塞）來推動等離子體流體形成激波，將等離子體加熱。

絕熱壓縮加熱。指在與外界無熱量交換的條件下對氣體系統的壓縮加熱。如果等離子體通過外部磁場作用產生的磁壓強不斷增加時所受到的壓縮，在粒子繞磁力線旋轉的迴旋週期內與外界無顯著的能量交換，這種壓縮就可看成是絕熱壓縮。這時體系的體積和温度有如下關係：TV^γ－1=常數。式中γ是氣體的定壓比熱和定容比熱之比。等離子體被壓縮時體積要縮小，温度要提高，這就是等離子體的絕熱加熱方法，主要用於磁鏡、箍縮和託卡馬克中的等離子體和用激光產生的等離子體中。

磁泵加熱。利用磁場週期地變化進行的絕熱壓縮把等離子體加熱的方法。 ^[1] 

在等離子體中激發某種波，這些波在傳播過程中將能量傳遞給等離子體將其加熱，稱為波加熱。常用的波有斜阿爾文波、快磁聲波、離子迴旋波、電子迴旋波、低混雜波及高混雜波，相應的加熱稱為阿爾文波加熱、快磁聲波加熱、離子迴旋共振加熱、電子迴旋共振加熱、低混雜波加熱和高混雜波加熱。波加熱是加熱等離子體的一種很重要的方法。 ^[1] 

中性粒子束注入加熱。用高能中性粒子束注入等離子體中來提高等離子體温度的方法。磁場對中性粒子不起作用，故中性粒子注入等離子體後能在其中到處運動。高能中性粒子通過與等離子體帶電粒子的相互作用而變成高能離子而被約束在磁場中。這些高能離子再通過與原有等離子體粒子的庫侖碰撞把能量交給等離子體粒子，使等離子體的温度升高。常用的高能粒子束是高能中性氘原子束。但在中小型聚變實驗中，大多采用中性氫原 子束。中性粒子束的能量要足夠大，粒子束才能進到等離子體的中心區域。除了對中性粒子的能量有要求外，對中性粒子的脈衝寬度和流強也都有一定要求。中性粒子束注入加熱在託卡馬克和磁鏡中得到了廣泛的應用。 ^[1] 

除了以上的加熱方法以外，還有中性粒子束–等離子體相互作用加熱、荷電粒子束注入加熱、湍流加熱、參量波加熱、場湮沒加熱等。 ^[1] 

等離子體加熱利用外加功率源來提高等離子體温度的方法和技術手段。聚變裝置中的等離子體是由人工方法（極大多數情況下是將材料氣體電離）產生的，起始温度僅幾十萬度（或幾十電子伏特），需不斷從外部輸入能量來繼續提升其温度，直至達到能滿足自持反應條件（此時氘-氚反應產生的α粒子將起加熱功能，維持必要的温度）。各種適宜於加熱等離子體的方案必須滿足兩方面的要求：①不會破壞整體約束（如引起強的等離子體不穩定性或引起大量雜質）；②在相當寬的參數範圍內加熱效率高，並且工藝要求合理。已為實踐證明有效的並可用於聚變堆加熱的方法主要有：歐姆加熱、高能中性束注入加熱、波加熱。在聚變堆自持燃燒條件下，則主要依靠聚變粒子的自加熱。加熱和約束的關係在許多類型的聚變裝置中，等離子體的形成和初始加熱是與建立穩定的等離子體位形相協調的。如託卡馬克和仿星器中的歐姆加熱、反向場位形中的歐姆加熱和湍流加熱等。但當用更強功率的加熱來進一步提高等離子體的温度時，卻發現約束在一定程度上變壞，這是由於強功率加熱不可避免地會激發某些不穩定性和增大雜質。結果，約束時間隨加熱功率的加大而下降。為滿足自持聚變反應條件，就必須加大聚變堆幾何尺寸和採用更大規模的強功率加熱。典型的強功率加熱要求已達100 MW。歐姆加熱通過等離子體中的電流會產生焦耳熱量，其功率密度與電流密度平方和等離子體電阻率成正比。歐姆加熱實際上是外電場對電子做功，首先加熱電子，隨後因電子和離子的碰撞而加熱離子。由於等離子體中電流密度的大小受穩定性條件的限制，而電阻率又隨電子温度的升高而劇降，所以歐姆加熱雖方便且經濟，但有一定的侷限性。中性束注入加熱，使高能中性粒子（其能量約為初始等離子體能量的幾十倍），因不受磁場力的作用， 可以穿透到等離子體內部，並與原已存在的“靶”等離子體碰撞電離而被磁場捕獲成為高能離子成分，又在多次碰搜而慢化的同時加熱等離子體。這種加熱方法對等離子體擾動小，在許多裝置上已能有效地將等離子體加熱至聚變反應所需温度。對聚變反應堆來説，由於幾何尺寸大於當前的實驗裝置，為使中性束能透入中心約束區，要求中性束的能量提高到MeV量級（目前為80—200KeV），這時因正離子的中性化率太低使中性束加熱設備的造價大幅度提高，已提出用負離子源技術來緩解這一困難。波加熱很早就提出用電磁波與等離子體的相互作用來加熱等離子體。主要應用三種頻段的大功率頻源：①離子迴旋波段，典型波頻在幾十到200MHz，在直線和環形裝置中都能有效地加熱離子。微波功率源為四極管發生器——放大器，已有幾十兆瓦的加熱設備，利用特殊設計的天線將波耦合到等離子體中，空間加熱區域可控制；②電子迴旋頻段，典型頻率為80—200GHz，微波功率由迴旋管產生，通過波導輸人到等離子體中，此法可有效地加熱電子和用於控制電流分佈，但加熱設備較難製造且昂貴；③低雜波頻段，典型頻區為 2—8GHz，微波功率由速調管產生，用波導陣列輸入等離子體，用於加熱電子和離子，並用於驅動環向電流，以實現託卡馬克裝置的穩態運行。粒子加熱自持聚變堆最終依靠聚變反應產生的3.5MeV能量維持。自持燃燒存在熱不穩定性問題，已提出多種控制熱不穩定方案。非感應電流驅動由於等離子體的電阻效 應，託卡馬克的環向電流會隨時間衰減，因此不可能單靠歐姆變壓器的磁通變化來長期維持這一電流。現在研究了多種非感應電流驅動方法，在工藝上與幾種加熱方法基本協調。例如，沿環向的中性束注入在加熱等離子體的同時也能驅動環向電流；通過改變藕合天線的相位（形成沿磁力線單向傳播的行波），可以利用幾種波段的微波來驅動電流，其中研究得最充分的是低雜波頻段，最大驅動電流已達3MA，但對較高密度的參數區，這一方 案中仍有很多問題需要解決；另外，等離子體中存在沿環向的自舉電流，對高極向比壓等離子體，自舉電流可以達到很高的比例，從而降低了對外驅動源的要求。加熱研究的現狀及前景在幾個大型託卡馬克裝置上，利用中性束注入加熱，表明聚變堆的加熱問題實際上已經解決；離子迴旋頻段的波加熱也可以將離子温度加熱到點火温 度，這些加熱方法還可以結合起來使用。電子迴旋加熱還在仿星器型裝置中得到廣泛應用，較易產生1K級的初始等離子體。用於聚變堆條件下的負離子源技術目前己取得重大進展，單元器件功率達兆瓦級的長脈衝負離子源中性束注入設備已研製成功。在微波加熱方面，相對於現有裝置中應用的微波器件，更高頻段的長脈衝甚至穩態運行的器件的研製也不斷取得實質性進展。普遍認為，加熱和電流非感應驅動的工藝研究的進展可以確保磁約束聚變堆（託卡馬克堆或先進環形聚變堆）研製規劃的進行。