磁约束原理

物理约束

等离子体的磁约束是目前最先进的控制方法融合．融合问题的很大一部分已经得到了实现磁场的有效限制等离子体．一个成功的配置必须满足三个标准:(1)等离子体必须是时间无关的平衡状态，(2)平衡必须宏观稳定，(3)等离子体的泄漏能源到边界墙一定要小。

带电粒子倾向于绕着磁铁旋转力线．这些粒子轨迹必须不与边界壁相交。同时,热能在所有的粒子中，对等离子体施加膨胀的压力。要使等离子体处于平衡状态磁力采取行动电流在等离子体内部，必须平衡等离子体中每一点的压力。

这种平衡必须是稳定的，也就是说等离子体会在任何小扰动之后恢复到原始状态，比如连续的随机热“噪声”波动。相反，一个不稳定的等离子体可能会离开它的平衡状态，并在任何小扰动后迅速(可能不到千分之一秒)逃离限制磁场。

如果等离子体泄漏的能量与输入的能量相平衡，那么处于稳定平衡状态的等离子体可以无限期地保持。如果等离子体能量损失过大，则无法实现点火。不可避免的扩散穿过磁力线的能量将来自粒子之间的碰撞。净效应是将能量从热的核心传输到壁面。从理论上讲，这种传输过程称为经典扩散，在热聚变等离子体中不强，可以被补偿热从α粒子融合产品。然而，在实验中，等离子体的能量损失是经典扩散理论预期的10到100倍。异常输运问题的解决涉及到等离子体中的基本问题的研究物理，如等离子体湍流。

许多不同类型的磁性配置等离子体限制已经设计和测试了多年。这些可以分为两类:封闭的环形结构和开放的线性结构。环形器件是最先进的。在一个简单的直磁场中，等离子体可以自由地从两端流出。可以通过将等离子体和场形成一个封闭的甜甜圈形状来消除末端损失环面或者，用一种被称为镜像约束的方法，通过磁和静电“堵塞”这种设备的两端。

环向约束

最广泛研究的环面约束概念是托卡马克装置．托卡马克(an首字母缩写来源于俄语中“环面磁约束”的词)是由苏联等离子体物理学家在20世纪60年代中期提出的。磁力线是绕着环面旋转的螺旋。螺旋磁场有两个分量:(1)a环形分量，它指向环面周围的长方向，(2)a极向分量沿短距离绕行机．这两种成分都是等离子体保持稳定平衡所必需的。如果极向场为零，那么场线只是绕在环面上的圆，那么等离子体就不会处于平衡状态。粒子不会严格遵循场线，而是会漂移到壁上。极向场的加入提供了包含在器件内的粒子轨道。如果环面磁场为零，那么磁力线只绕环面很短的一圈，等离子体将处于平衡状态，但它是不稳定的。等离子体柱会产生越来越大的扭曲或扭结，从而将等离子体带入壁面。

环形场是由线圈围绕含有等离子体的环形真空室而产生的。(等离子体必须位于一个空腔内，以防止它与空气分子相互作用而冷却。)为了尽量减少线圈中的功率损耗，涉及超导线圈的设计已经开始取代铜线圈。托卡马克聚变反应堆中的等离子体的主要直径为10米(33英尺)，次要直径约为2至3米。等离子体电流可能在数千万安培的量级上，而环形磁场的弯曲密度将测量几特斯拉。为了帮助引导研发，科学家们经常表演概念上的核聚变反应堆的设计。图中显示了这样一个概念。理论上，这个装置可以产生10亿瓦的电力——足以满足一个大城市的电力需求。

极向场是由环形电流产生的，它被迫在导电等离子体内流动。法拉第感应定律可用于启动和建立电流。一个电磁位于孔内的环面可用于生成磁通随着时间的推移而增加。随时间变化的通量产生一个环形电场这驱动了等离子体电流。这种技术有效地驱动脉冲等离子体电流。然而，它不能用于稳态电流，因为稳态电流需要磁通量随时间无限增加。不幸的是，脉冲式反应堆会遭遇许多工程问题，如材料疲劳，因此已经开发了其他方法来驱动稳态电流产生极向磁场。

一种叫做采用射频电流驱动电磁辐射产生稳态电流。电磁波被注入等离子体，这样它们就传播在等离子体内沿一个方向绕着环面。波的速度被选为大致等于等离子体中电子的平均速度。波电场(在等离子体中沿其传播方向有一个分量)可以在波和粒子围绕环面一起移动时不断加速电子。电子在一个方向上产生净运动或电流。

另一种已建立的电流驱动技术是中性束电流驱动。一束高能中性原子沿环形方向注入等离子体。中性光束将自由地进入等离子体，因为它不受磁场的影响。中性原子因与电子碰撞而电离。束流由被磁场限制在等离子体内的高能正电荷核组成。高速离子沿磁场作圆周运动，并与电子碰撞，将它们推向一个方向，从而产生电流。

射频和中性束电流驱动技术都有较低的功耗效率(也就是说，它们需要大量的功率来驱动等离子体电流)。幸运的是，托卡马克等离子体中出现了显著的效果，减少了外部电流驱动的需要。如果核心的等离子体压力大于边缘的等离子体压力，这种压差会自发地驱动等离子体中的环形电流。这个电流叫做自举电流。它可以被认为是一种热电效应，但它的起源在复粒子中动力学在环形等离子体中产生。它已在实验中被观察到，现在被常规地包括在先进实验和托卡马克反应堆设计中。

与托卡马克相比，其他具有潜在优势的环形约束概念正在开发中。三个这样的选择是仿星器，反向场箍缩(RFP),紧环面概念。寻星器和RFP很像托卡马克。在恒星发生器中，磁场仅由外部线圈产生。这样，等离子体的电流基本上为零，而问题就来了固有的在维持大的等离子体电流时是不存在的。RFP与托卡马克的不同之处在于它在一个弱的环形磁场中工作。这就产生了一个紧凑的、高功率密度的铜线圈(而不是超导线圈)反应堆。紧致环面是环面中心没有孔的环面等离子体。基于紧凑型环面的反应器体积小，避免了连接等离子体环面的线圈的工程复杂性。