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第一章绪言1

1.1 人类文明发展对能源的需求1

1.2 核聚变——原子能科学的光辉未来1

第二章聚变能7

2.1 太阳中的聚变反应7

2.2 转核聚变反应7

2.3 关于用束靶作用和对碰束来实现聚变反应的问题8

2.4.1 聚变反应功率9

2.4 实现受控聚变反应的基本要求9

2.4.2 辐射损失10

2.4.3 劳逊判据11

2.4.4 能量得失相当判据（零功率堆判据）11

2.4.5 自持燃烧条件（点火条件）12

2.5 聚变能资源13

2.6 聚变-裂变资源的混合开发14

第三章磁约束聚变原理15

3.1 磁场对带电粒子的约束16

8.1.3 欧姆加热对离子和电子温度的限制18

3.2 等离子体稳定约束对磁场位形的要求19

3.3 等离子体输运与约束的关系20

3.4.1 等离子体的产生和宏观平衡位形的建立22

3.4 等离子体的产生和加热22

3.4.2 等离子体的进一步加热：中性束注入和微波加热23

3.5 燃料的补充24

3.6 磁约束聚变研究的途径及其发展阶段24

3.4.3 非感应电流驱动24

3.7 主要的研究途径和发展情况27

3.8 反应堆概念设计及核包层研究32

3.9 下世纪初磁约束聚变研究的发展前景33

3.10 中国的磁约束聚变研究34

4.1.1 基本方程组37

4.1 关于聚变等离子体中磁场位形的基本知识37

第四章磁约束聚变装置中的磁场位形37

4.1.2 磁力线及磁力线组成的曲面38

4.2 环形约束系统的一般性质39

4.3 某些特定电流产生的磁场41

4.3.1 圆圈电流产生的磁场41

4.3.2 简单的磁镜位形43

4.3.3 会切场位形43

4.3.4 圆柱面上相距为b的多个电流圈产生的磁场44

4.3.5 直线多极磁场44

4.3.6 圆柱面上螺旋对称电流产生的磁场及直线仿星器的磁面45

4.3.7 具有螺旋绕组的磁场中磁力线的旋转变换46

4.4 环形仿星器的真空磁场及磁面47

4.4.1 环形区域中求解真空磁场的小量展开法48

4.4.3 环形修正的一级近似解49

4.4.2 基本磁场（零级近似）49

4.4.4 ι=3的环形仿星器的真空磁面50

4.5.1 模拟托卡马克位形52

4.5 托卡马克位形的模拟分析52

4.5.2 直接托卡马克近似的一些性质53

4.6 准稳态电磁场中导体的作用54

4.6.1 导体面上电磁场边界条件的理解54

4.6.2 具有切口的导体中涡流回路的分析54

4.7 磁场位形结构的稳定性56

4.7.1 主要的磁场扰动及来源56

4.7.3 共振扰动的磁面57

4.7.2 非共振型扰动磁面的估算57

4.7.4 磁岛的重叠及磁场位形结构的无规化区域58

4.8 偏滤器位形（divertor）59

第五章磁约束等离子体的宏观运动特性61

5.1 宏观运动状态的描述方法：磁流体运动方程组和输运方程组61

5.2 轴对称环形平衡位形63

5.2.1 一般讨论63

5.2.2 接近于圆截面的小变形位形65

5.2.3 直圆柱近似（零级近似）66

5.3 托卡马克等离子体的位形演变：1 1/2维输运68

5.3.1 关于1 1/2维输运问题的一般讨论68

5.3.2 快加热过程中磁面的演变:通量守恒托卡马克位形70

5.4 关于磁约束聚变等离子体磁流体不稳定性的一般讨论73

5.4.1 磁流体动力学方程组73

5.4.2 线性化方程与位移函数74

5.4.3 理想磁流体能量变分原理75

5.4.4 等离子体边界稳定性:能量原理的一个简单应用实例77

5.5 磁流体波78

5.6 载电流等离子体圆柱的扭曲模不稳定性79

5.6.1 直圆柱平衡条件79

5.6.2 极小化位能变化的表示式80

5.6.3 表面项及真空项81

5.6.4 关于电流分布的讨论82

5.6.5 磁流体模的实验观察84

5.7 电阻性磁流体不稳定性85

5.7.1 运动等离子体中的磁扩散方程85

5.7.2 平板位形中的撕裂模86

5.7.3 撕裂模的增长率88

5.7.4 托卡马克中的撕裂模88

5.7.5 撕裂模的转动频率90

5.7.6 撕裂模的非线性发展91

5.7.7 导体壳效应91

5.8 托卡马克锯齿型磁流体活性和内扭曲模92

5.8.1 理想内扭曲模92

5.8.2 环形效应对内扭曲模的作用94

5.8.3 离子反磁漂移效应95

5.8.5 电阻性内扭曲模96

5.8.4 关于据齿活性的实验96

5.9 轴对称不稳定性98

5.9.1 近似于圆截面的位形中的轴对称扰动98

5.9.2 导体壳的稳定性作用：椭圆截面位形99

5.9.3 位移不稳定性对等离子体约束的影响及控制100

5.10 破裂不稳定性100

5.10.1 破裂不稳定性的类别及主要特性100

5.10.2 破裂不稳定性的机制102

5.10.3 破裂不稳定性的防止与控制103

5.11 气球模不稳定性的比压极限103

6.1.1 Debye屏蔽110

第六章聚变等离子体的粒子动力论(Kinetic theory)描述110

6.1 聚变等离子体粒子相互作用的一般特征110

6.1.2 二体碰撞112

6.2.2 漂移近似方程115

6.2 带电粒子的运动特性和描述方法115

6.2.1 均匀强磁场中的电漂移115

6.2.3 回转中心的转道:捕获粒子和飞行粒子117

6.2.4 捕获粒子对外场的响应120

6.3 等离子体集体相互作用的描述：玻-麦方程组,经典和新经典输运121

6.3.1 玻-麦方程的一般形式121

6.3.2 碰撞积分的形式：郎道算子122

6.3.3 动力论方程的简化形式：漂移动力论方程和回旋动力论方程122

6.3.4 速度分布函数的线性化和准线性化演变123

6.3.5 磁场中等离了体的经典输运124

6.3.6 新经典输运125

6.3.7 自举电流(Bootstrap current)127

6.4 波和等离子体的相互作用127

6.4.1 冷等离子体的色散关系128

6.4.2 波的偏振(polarization):O波和X波,快波和慢波129

6.4.3 波的截止和共振130

6.4.4 波在不均匀等离子体中的传播特性:波的束迹(ray tracing)方程131

6.4.5 波的吸收135

6.4.6 模转换和波的随机吸收137

6.4.7 关于ICRF波段中慢波定义的一个附记138

6.5 托卡马克等离子体的反常输运现象的理论研究138

6.5.1 静电湍流产生的反常输运139

6.5.2 磁扰动产生的反常输运142

6.6 静电漂移波不稳定性143

6.6.1 平板电子和离子温度梯度模:局域近似145

6.6.2 捕获电子模149

6.7 引起磁湍流的主要微观模式149

6.7.1 一种微撕裂模模型及形成磁湍流的条件:非线性离子泵浦机制150

6.7.2 电阻性压强驱动模(电阻性气球模)151

第七章边缘等离子体物理、等离子体与器壁相互作用及杂质物理154

7.1 磁约束聚变等离子体边缘区的特性155

7.2 刮离区和等离子体鞘特性156

7.2.1 一维刮离层模型157

7.2.2 等离子体鞘的内部特性157

7.2.3 刮离区特性159

7.3 边缘等离子体中的分子原子过程及边缘参数与中心参数的联系160

7.3.1 中性粒子向等离子体内部的透入160

7.3.2 边缘粒子密度与中心粒子密度的关系162

7.3.3 边缘等离子体温度的估计163

7.4 杂质物理164

7.4.1 杂质产生的机制164

7.4.2 杂质输运170

7.4.3 杂质含量与等离子体参数的关系173

7.4.4 杂质效应175

7.5 与辐射有关的边缘物理现象177

7.5.1 密度极限破裂现象177

7.5.2 来自边缘的多层次非对称辐射(MARFE)现象180

7.5.3 脱栏等离子体现象181

7.6 偏滤器物理182

7.6.1 刮离区模型182

7.6.2 靶区物理183

7.6.3 靶板热负荷的均匀化185

第八章磁约束聚变等离子体的加热和非感应电流驱动188

8.1 欧姆加热188

8.1.1 一般原理188

8.1.2 电流的感应驱动及其限制189

8.2 中性束注入加热192

8.2.1 高能中性粒子与本底等离子体的相互作用192

8.2.2 沿束注入方向束的透入深度193

8.2.3 电子和离子成分加热功率沉积密度195

8.2.4 中性束加热效率195

8.2.5 高能离子分布函数：富克-普朗克方程196

8.2.6 伴随中性束注入的物理问题197

8.3 磁约束等离子体的波加热198

8.3.1 离子回旋频段(ICRF)波加热198

8.3.2 电子回旋频段波加热202

8.3.3 低混杂频段波加热205

8.4 非感应电流驱动:中性束驱动和自举电流206

8.4.1 定向中性束注入产生的电流207

8.4.2 自举电流209

8.5 射频波驱动环向电流研究211

8.5.1 波驱动电流的基本原理213

8.5.2 低杂波电流驱动(LHCD)216

8.5.3 电子回旋波电流驱动(ECCD)218

8.5.4 快磁声波电流驱动(FWCD)220

8.5.5 关于非感应电流驱动研究的小结222

第九章托卡马克实验研究225

9.1 关于托卡马克实验研究的一般性综述225

9.2 托卡马克装置230

9.2.1 托卡马克装置的主要部件231

9.2.2 一些重要的托卡马克装置简介235

12.4.1 ITER概念设计CDA(Conceptual Design Activity)(1988-1990)238

9.3.1 磁流体平衡位形的建立242

9.3 托卡马克等离子体磁流体平衡和稳定性242

9.3.2 托卡马克等离子体的磁面结构243

9.3.3 破裂不稳定性的实验研究244

9.3.4 内扭曲模和据齿活性248

9.3.5 磁流体活性对高性能参数的限制252

9.3.6 位形优化实验研究253

9.4 托卡马克的加热、粒子补充及非感应电流驱动实验研究253

9.4.1 中性束注入加热254

9.4.2 离子加旋频段波加热实验256

9.4.3 低杂波电流驱动实验研究258

9.4.4 弹丸注入送料实验259

9.5 托卡马克能量约束定标律：欧姆约束定标和高功率加热的L-模定标261

9.5.1 欧姆加热条件下的约束标研究261

9.5.2 高功率加热下的L-模约束定标262

9.5.3 L-模定标下的反常输运研究263

9.6 H-模约束性质的研究(1):边缘H-模265

9.6.1 边缘H-模的基本特征265

9.6.2 边缘H-模的一种重要伴随现象:边缘定域模(ELM)活性266

9.6.3 H-模状态下的输运特性:输运壁垒及其机制267

9.5.4 L-模约束的输运模型269

9.6.4 H-模约束的实验定标269

9.7 H-模约束性质的研究(2):中心区改善约束模式270

9.7.1 TFTR的超放电(Supershot,简称,S-模)271

9.7.2 高级向比压H-模271

9.7.3 DIII-D和JEF的甚高约束模式(VH)272

9.7.4 JET的热离子H-模273

9.7.5 增强反剪切位形(ERS)和中心负剪切位形(NCS)模态273

9.7.6 长脉冲H-模约束实验275

9.7.7 其他改善约束实验及小结277

9.8 托卡马克偏滤器实验277

9.8.1 JET的MK-I和MK-IIA偏滤器实验278

9.8.2 高密度辐射偏滤器的初步实验279

9.9 JET和TFTR装置上的氘氚实验280

9.9.1 氘氚等离子体物理研究280

9.9.2 a粒子物理的初步研究281

9.9.3 氚工艺问题281

第十章仿星器-环形螺旋装置研究285

10.1 仿星器位形的发展和特征287

10.1.1 多种仿星器形态287

10.1.2 螺旋线圈的模块化及模块化仿星器288

10.1.3 仿星器位形的优化289

10.1.4 仿星器实验装置292

10.1.5 主要的仿星器装置简介294

10.2 仿星器的磁面位形及等离子体稳定性研究294

10.2.1 真空磁面结构的实验观察294

10.2.2 等离子体平衡位形及平衡电势297

10.2.3 宏观稳定性与密度极限问题298

10.3 仿星器等离子体的加热和约束研究299

10.3.1 仿星器等离子体的加热299

10.3.2 约束定标研究301

10.3.3 仿星器H-模约束302

10.3.4 仿星器研究的进一步发展303

10.4 仿星器的偏滤器系统303

第十一章磁镜、反向场箍缩、球形环位形307

11.1 磁镜位形的研究307

11.1.1 标准磁镜实验307

11.1.2 串级磁镜研究307

11.2 反向场位形的研究310

11.2.1 反向场位形的产生和稳定性310

11.2.2 反向场实验研究312

11.2.3 关于反向场研究的发展趋向313

11.3 球形环(小环径比托卡马克)的研究313

11.3.1 球形环位形及稳定性314

11.3.2 球形托卡马克实验研究314

11.3.3 球形托卡马克的发展展望316

12.1 氘氚燃烧等离子体的基本特征319

第十二章 氘氚燃烧物理及研究规划319

12.1.1 a粒子加热功率的特征及热不稳定性320

12.1.2 a粒子的经典特性321

12.2 氘氚燃烧等过程的启动和维持323

12.2.1 放电的建立323

12.2.2 燃烧的维持:热不稳定性的控制323

12.3 聚变a粒子与环形阿尔芬本征模的相互作用325

12.3.1 托卡马克中的环形阿尔芬本征模325

12.3.2 TAE模及其效应的实验证实326

12.4 国际热核聚变实验反应堆(ITER)研制328

12.4.2 工程设计研究EDA(Engineering Design Activity)及主要的R D项目330

12.4.3 氚的提供和处理332

12.4.4 主要的R D项目332

12.4.5 经费332

符号索引335

专有名词索引(中英文对照)342