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第1章 受控热核聚变1

1.1 核聚变1

1.2 受控热核聚变与等离子体3

1.3 劳逊判据和聚变三重积判据4

1.4 聚变反应率近似公式8

参考文献9

第2章 等离子体物理10

2.1 等离子体的基本性质10

2.2 带电粒子在电、磁场中的运动12

2.2.1 在均匀电、磁场中的运动12

2.2.2 在弱非均匀磁场中的运动14

2.2.3 漂移方程17

2.2.4 在环形螺旋磁场中的运动18

2.3 碰撞23

2.3.1 弹性库仑碰撞23

2.3.2 高能粒子的能量衰减27

2.3.3 等离子体不同成分之间的温度平衡和能量交换29

2.3.4 碰撞弛豫时间和碰撞频率30

2.3.5 非弹性碰撞32

2.3.5.1 电离32

2.3.5.2 复合34

2.3.5.3 电荷交换35

2.4 等离子体的描述方法37

2.4.1 玻耳兹曼方程38

2.4.2 流体动力学方程（输运方程）41

2.4.3 湍流扰动的关联分析46

2.4.3.1 时空关联函数49

2.4.3.2 功率谱（湍流谱）49

2.4.3.3 相干系数谱50

2.4.3.4 定域波矢-频率谱51

2.4.3.5 非线性波-波相互作用（双谱）51

2.5 磁约束等离子体的平衡53

2.5.1 平衡磁场位形的基本性质54

2.5.2 大环径比圆截面托卡马克等离子体的平衡56

2.5.3 托卡马克等离子体平衡积分关系60

2.5.4 托卡马克等离子体平衡微分方程63

2.6 磁流体动力学（MHD）不稳定性64

2.6.1 扰动量的线性化理想MHD方程65

2.6.2 能量原理67

2.6.3 托卡马克MHD不稳定性70

2.6.4 交换不稳定性的物理图像74

2.6.5 扭曲不稳定性的物理图像76

2.6.6 m=1内部模77

2.6.7 m≥2内部模79

2.6.8 撒丹判据80

2.6.9 交换不稳定性的气球模81

2.6.10 扭曲模84

2.6.11 扭曲不稳定性的气球模86

2.6.12 环形和异形截面效应88

2.6.13 电阻不稳定性与磁岛93

2.6.14 电阻交换模95

2.6.15 电阻撕裂模97

2.6.16 轴对称模103

2.7 等离子体波105

2.7.1 均匀等离子体波的色散方程106

2.7.2 波的极化特性110

2.7.3 介电张量112

2.7.3.1 流体近似下的介电张量112

2.7.3.2 动理学介电张量114

2.7.4 自由等离子体波121

2.7.5 存在外磁场的等离子体波126

2.7.5.1 冷等离子体波126

2.7.5.2 热等离子体波142

2.7.6 磁化等离子体波的衰减155

2.7.6.1 电子回旋衰减156

2.7.6.2 离子回旋衰减158

2.7.6.3 切连柯夫衰减159

2.7.7 等离子体电磁波能量输运方程160

2.8 微观不稳定性162

2.8.1 稳定性判别条件162

2.8.2 电子与离子成分相对运动引起的不稳定性165

2.8.3 非均匀等离子体不稳定性166

2.8.3.1 漂移波与温度漂移不稳定性166

2.8.3.2 电流对流不稳定性170

2.8.3.3 耗散漂移不稳定性173

2.8.3.4 重力漂移不稳定性174

2.8.3.5 离子声不稳定性175

2.8.3.6 离子回旋不稳定性175

2.8.3.7 离子温度梯度不稳定性176

2.8.3.8 电子温度梯度不稳定性178

2.8.4 捕获粒子不稳定性180

2.8.4.1 耗散捕获离子不稳定性181

2.8.4.2 耗散捕获电子不稳定性182

2.8.5 微观撕裂不稳定性183

2.9 输运过程189

2.9.1 经典输运191

2.9.1.1 扩散系数191

2.9.1.2 热传导系数192

2.9.1.3 黏滞系数193

2.9.1.4 摩擦力和电导率195

2.9.1.5 碰撞加热功率密度196

2.9.2 新经典输运196

2.9.2.1 漂移概念下的双极扩散197

2.9.2.2 新经典扩散和热传导系数198

2.9.2.3 电导率的新经典修正202

2.9.2.4 自举电流202

2.9.3 非经典输运203

2.9.3.1 玻姆扩散系数和赝经典电子热传导系数203

2.9.3.2 能量约束时间和湍流输运系数定标204

2.9.3.3 湍流输运系数208

2.10 托卡马克等离子体加热和无感电流驱动218

2.10.1 欧姆加热219

2.10.2 中性粒子束加热220

2.10.3 射频波加热226

2.10.4 射频波和中性粒子束电流驱动230

参考文献236

第3章 等离子体诊断原理243

3.1 磁通测量243

3.1.1 单匝环244

3.1.2 罗果夫斯基线圈245

3.1.3 位移探针246

3.1.4 反磁探针255

3.1.5 米尔诺夫探针256

3.2 电探针260

3.2.1 电探针的德拜鞘和伏安特性261

3.2.2 双探针和三探针264

3.2.3 磁场效应266

3.2.4 马赫探针270

3.2.5 齐平探针275

3.3 电子密度诊断286

3.3.1 微波和激光干涉测量286

3.3.2 汤姆逊散射绝对测量287

3.3.3 微波反射289

3.3.4 阿贝尔反演289

3.4 电子温度诊断290

3.4.1 汤姆逊散射谱291

3.4.2 电子回旋辐射292

3.4.3 软X射线连续谱293

3.5 离子密度诊断298

3.5.1 高能中性粒子束衰减298

3.5.2 高能中性粒子束诱导的杂质离子电荷交换复合辐射299

3.5.3 等离子体线辐射301

3.5.4 有效电荷数306

3.6 离子温度诊断307

3.6.1 电荷交换中性粒子能谱308

3.6.2 光谱线多普勒展宽312

3.6.3 离子对中性束粒子的弹性散射314

3.7 等离子体电流密度分布诊断317

3.7.1 杂质谱线的塞曼效应318

3.7.2 氢谱线的运动斯塔克效应322

3.7.3 极化平面的法拉第旋转324

3.7.4 电子回旋频率对激光散射谱的调制325

3.7.5 电流密度分布与内部磁场之间的关系327

3.8 湍流扰动量诊断328

3.8.1 电子密度扰动对电磁波的集体散射329

3.8.2 磁场扰动对电磁波的集体散射331

3.8.3 湍流扰动线积分量之间的关联333

3.9 聚变产物诊断338

3.9.1 中子诊断338

3.9.2 γ射线诊断340

3.9.3 α粒子诊断342

3.10 层析分析348

3.10.1 线积分辐射率348

3.10.2 层析分析350

参考文献353

第4章 托卡马克装置361

4.1 装置主机361

4.1.1 变压器、真空室和磁场线圈361

4.1.2 孔栏和偏滤器364

4.2 国际热核聚变实验堆368

4.2.1 磁场系统370

4.2.2 偏滤器371

4.2.3 真空室和第一壁／包层模件373

4.2.4 辅助系统377

附注：书中涉及的主要实验装置参数表381

参考文献382

第5章 物理调试386

5.1 真空室壁处理和杂质问题386

5.1.1 高温烘烤387

5.1.2 放电清洗388

5.1.3 金属或化学物质吸气膜涂覆393

5.2 初始托卡马克等离子体的形成400

5.2.1 气体电离和击穿条件401

5.2.2 托卡马克等离子体的形成405

5.3 平衡位移控制407

5.4 伏秒数消耗量和预电离413

5.4.1 伏秒数消耗量413

5.4.2 预电离415

5.5 稳定运行参数区域419

5.5.1 阿尔齐莫维奇运行区域图420

5.5.2 村上定标420

5.5.3 海吉尔定标421

5.5.4 格暖列兹定标422

5.5.5 格林沃德定标422

5.5.6 MHD不稳定性对运行参数的限制422

参考文献425

第6章 MHD平衡实验数据分析429

6.1 等离子体平衡积分参数430

6.2 平衡位形重建方法433

6.2.1 等离子体边界拟合433

6.2.1.1 线电流组合模型（线性回归）433

6.2.1.2 分布电流模型（非线性回归）437

6.2.1.3 磁通按环形△ψ＝0本征解展开的拟合440

6.2.1.4 简化的边界拟合444

6.2.2 等离子体电流密度拟合445

6.3 平衡实验数据分析448

6.4 垂直不稳定性与附着真空室壁的瞬态平衡456

参考文献463

第7章 磁流体不稳定性实验研究466

7.1 MHD不稳定性现象特征466

7.2 米尔诺夫振荡和模式耦合473

7.3 软X射线锯齿振荡和内破裂482

7.4 破裂不稳定性494

7.4.1 主要物理机制和现象特征495

7.4.2 破裂的统计分析和实时预报499

7.4.3 抑制破裂的方法504

参考文献527

第8章 输运实验532

8.1 粒子和能量约束时间532

8.2 粒子约束535

8.3 欧姆等离子体的离子能量约束543

8.4 约束模式546

8.4.1 欧姆约束模546

8.4.2 低约束模551

8.4.3 高约束模553

8.4.4 其他约束模558

8.5 输运过程562

8.5.1 新经典输运和超经典电子热扩散系数563

8.5.2 边缘输运垒与L-H模转变566

8.5.3 内部输运垒与反剪切约束572

8.6 先进托卡马克581

8.7 聚变等离子体实验587

参考文献605

索引611