电浆物理学/托卡马克与恒星器

导论

• 本章对两大磁约束装置：托卡马克与恒星器的几何、运行与物理特性进行比较。
• 目标：理解环形曲率、场位形、电流需求与稳定性差异。

托卡马克基本结构

• 主环向磁场由环向场线圈产生
• 极向磁场与等离子体电流形成螺旋磁面
• 真空容器、分流器与第一壁构成边界

感应电流与回路电压

• 变压器驱动等离子体电流，产生极向场
• 回路电压维持电流与欧姆加热

安全因子与磁剪切

• $q={\frac {rB_{\phi }}{RB_{\theta }}}$
• 剪切稳定化某些MHD 模，但也影响锯齿与撕裂模位置

恒星器基本结构

• 通过三维形状线圈产生螺旋磁面
• 无需大等离子体电流即可形成约束
• 复杂几何优化对新古典输运与稳定性至关重要

对比与权衡

• 托卡马克：强电流驱动，易达高性能，但有电流驱动不稳定性
• 恒星器：稳态运行潜力强，但新古典输运可能较大
• 工程与维护复杂度不同

约束与稳定性

• 托卡马克需控制ELMs、NTMs 与TAEs
• 恒星器注重三维场优化以抑制涡旋与岛链

分流器与边界层

• 处理热与粒子通量的关键部件
• 分流器配置影响回收气体与杂质控制

电流驱动与稳态

• 托卡马克通过非感应电流（LHCD、ECD、NBCD）实现长脉冲
• 恒星器天然稳态但需优化壁负荷与加热布局

几何参数

• 大半径 $R$、小半径 $a$、椭圆率与三角形度描述截面形状
• 磁岛与共振面位置由 $q$ 分布决定

诊断系统

• 磁测量、ECE、干涉与反射计、软X 射线、快中子计数等
• 三维成像支持恒星器几何校准

运行模式

• H 模与L 模的边界传输差异
• 先进场位形如雪花分流器与超X 点

示例问题

• 锯齿振荡触发与缓解策略
• 撕裂模锁定与磁重联控制
• 恒星器岛链抑制与绕射线圈优化

工程实现

• 线圈制造与装配公差对三维场质量关键
• 超导技术与低温系统确保长时间运行

小练习

1. 写出安全因子定义并说明其几何意义
2. 解释托卡马克与恒星器的电流需求差异
3. 讨论分流器几何对边界热通量的影响
4. 说明三维优化如何降低新古典输运
5. 比较H 模与L 模在边界传输上的差异