T/CI 010-2022 悬浮偶极场磁约束等离子体装置指南

范围:本指南规定了悬浮偶极场磁约束等离子体物理实验装置科学目标、总体设计参数、设计要求、主机结构、主要辅助系统及设备构成，以及作为聚变研究应用场景下的重要物理和工程参数设计范围及计算方法。 本指南适用于悬浮偶极磁约束等离子体装置概念的物理及工程设计、关键技术研发及材料研发，主要作为聚变领域研究用的悬浮偶极场磁约束装置的设计与研发的技术依据。此外，本指南也可作为空间物理研究、反物质研究用的悬浮偶极场磁约束实验装置设计与研发的重要依据; 主要技术内容:悬浮偶极场磁约束等离子体装置是基于悬浮载流偶极子线圈产生的闭合极向磁力线形态（即偶极场）来进行等离子体约束的实验装置，其约束原理借鉴了宇宙中行星地磁场磁层等离子体环的约束原理。最早于上世纪80年代，由日本Akira Hasegawa教授和浙江大学陈骝教授共同提出的宇宙空间等离子体约束特性，源自于宇宙星体磁层的等离子体物理研究。在宇宙中，约束等离子体最常见的磁场结构就是磁偶极场。旅行者2号探测器在宇宙中飞行，途径木星和天王星时，意外地发现木星和天王星外层的空间等离子体环，类似于单个载流线圈产生的极向磁场，对宇宙中带电粒子具有稳定的约束能力，如图1所示，图中红色环部分表示约束的等离子体所形成的天然环。随后日本的Akira Hasegawa教授首次考虑使用偶极磁场线来进行磁约束聚变的概念。图1 木星磁层等离子体环和地球磁场偶极磁场约束的等离子体的中心峰值、稳定密度分布是低频电磁扰动引起的径向传输的结果。对于磁层捕获的粒子，其能量足以使反弹和回旋加速器频率比太阳风引起的低频扰动大得多，以保持第一和第二绝热不变量 μ 和 J 为运动常数，无碰撞回旋动力学描述径向扩散方程为：（3.1）其中F(μ,J,Ψ,φ,t)是沿极向磁力线(Ψ,φ)的反弹平均粒子分布函数，Ψ为磁通函数,φ为环向立体角，t为时间，S是反弹平均加热或粒子源（或损失）。DΨΨ 是径向扩散系数。偶极场等离子体满足三个绝热不变量约束条件，磁通不变量φ、纵向不变量J、磁矩不变量μ，偶极场满足基本约束原理为：（1）磁矩不变量μ：μ=(1/2 mv2)/B=mv2/2   sin2?θ/B=常数（3.2）（2）纵向不变量J：dJ/dt=d/dt ?〖v(24&dl=-?(μB)/?z)〗 (24&dz=0)   （3.3）（3）环向磁通不变量：Φ=_s?〖?