COMSOL分享：托卡马克装置的仿真优化

2017-02-22 COMSOL中国 百纳知识

欢迎加入COMSOL&Matlab仿真QQ群 482267095

群内有最专业的QQ群团队，和10余位在读博士组成的答疑团队，

祝大家学习、科研、工作、生活，样样顺利，事事开心！

本文有COMSOL中国授权发布！

若能开发出一种可控核聚变发生装置，则可以为地球提供近乎无限的清洁能源。工程师们从 20 世纪 50 年代便开始了热核聚变的研究，时至今日他们仍在努力将这一目标变成现实，其中一种方法是使用名为托卡马克（tokamak）的磁约束装置。让我们一起了解一下，为何麻省理工学院（MIT）等离子体科学与聚变中心（Plasma Science Fusion Center，简称 PSFC）的工程师们会将目光转向借助仿真来解决托卡马克装置设计中的关键问题：等离子体破裂引起的不稳定性。

将等离子体约束在托卡马克装置内

托卡马克是一种可以产生热核聚变能量的实验装置，可将氢燃料加热至 150,000,000°C 以上，迫使电子从原子核中分离，从而产生等离子体。磁场的作用是将等离子体限制在真空容器中，并使热等离子体远离容器壁，同时强度更高的磁场还可以提升等离子体的性能。

从托卡马克装置的窗口中观察到的等离子体。图像由 Bobmumgaard 自行拍摄。已获 CC BY-SA 4.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

麻省理工学院 PSFC 的研究人员们之所以将强磁场视为核聚变的关键性因素之一，是因为磁场会影响等离子体的性能。由于核聚变功率与磁场强度的四次方呈正比，所以磁场强度的任意微小增加都会极大地增强装置的功率，并更好地约束等离子体。

PSFC 的先进偏滤器实验方案

高级偏滤器实验（Advanced Divertor Experiment，简称 ADX）方案是由 PSFC 及其合作者提出的，旨在开发一种可以在强磁场下工作的紧凑型托卡马克装置。该托卡马克装置具有与典型反应堆一样的密度、热通量和温度，但仅使用短周期等离子体放电。使 ADX 托卡马克装置区别于其他同类装置的关键创新点在于，该装置使用的是由五个轴对称的壳体组成的模块化真空容器，而不是单一的缸。随着研究的进展，工程师们也许会获得新的发现，这种分离的壳体结构使得工程师可以对装置的某一部分（例如偏滤器）进行修改，体现出巨大的优势。

ADX 托卡马克设计方案提议。

托卡马克装置面临的一个主要挑战是处理由等离子体释放的高热量和颗粒。这些通量可由偏滤器进行处理，通过 ADX，可对多种不同的偏滤器设计进行测试，并基于测量数据来评估不同设计的性能表现。

托卡马克装置面临的另一项挑战是等离子体破裂现象。在正常操作过程中，等离子体会携带巨大的电流。例如在 ADX 中，等离子体携带的电流为 2 兆安。在破裂过程中，当等离子体离开平衡位置时，其平衡状态被打破，随后在很短的时间（1 毫秒）内释放所有电流。这种由等离子体移动导致电流释放的破裂类型被称为垂直移动现象（vertical displacement event，简称 VDE）。

在 VDE 中，等离子体的变化会引起磁场的快速变化，进而会驱动周围导电结构（例如真空容器）中产生涡电流。当这些涡电流穿越托卡马克装置中的径向磁场和环向磁场时，会产生巨大的洛伦兹力，这就要求装置的结构必须要有能力承受住这巨大的作用力。

左图：PSFC 的真空容器设计。右图：真空容器壁内的涡电流。

VDE 的存在，使等离子体可以移动至容器壁附近，这种接近导致等离子体破裂的过程中会在容器壁上产生较大负载。基于这一点，PSFC 的工程师们将 VDE 作为一项测试条件，以检测他们的容器是否支持 ADX 操作。