磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学探究

尹岚　饶益花

摘 要：新科技革命的到来，现代工业化生活所耗费的能量大部分来源于不可再生能源，这些能源非常有限，一旦耗尽，世界将会面临一场关于能源短缺的浩劫。近年来我国的磁约束核聚变用于工程技术研究和物力体力学研究方面取得了相当可观的成绩，该技术在很大程度上可以解决能源危机问题。本文详细阐述了磁约束核聚变的相关概念，分析了磁约束聚变与关键能量转换部件装置类别，重点介绍了核聚变反应堆以及磁流体力学实践运用。

关键词：磁约束核聚变 磁流体力学 关键能量转换部件

中图分类号：O361.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（a）-0001-01

当今世界，无论是工业生产还是日常生活，所用到的能源绝大部分是来源于不可再生的化石燃料资源，这些不可再生的资源非常有限，现今许多国家正面临严峻的能源短缺问题。因此，核聚变能的运用在解决能源危机问题方面意义重大。磁约束核聚变作为可控核聚变的种类之一，在克服核聚变反应物的缺陷时又能够保证散发出强大的能源供应，目前世界各国相继投入了对磁约束核聚变的研究，陆续建立了不同磁场位置和形体的实验装置，重点研究磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学。

1 磁约束核聚变概念分析

磁约束核聚变是一种结合磁场引力和高热等离子体能量来实现核聚变反应的高科技，这个步骤的具体做法是，首先对已知燃料进行加热处理，让燃料变成等离子体形态，然后利用磁场引力的作用，抑制住高热等离子中的带电粒子，让带电粒子呈现螺旋状线性运动，最后对等离子体进行再次高温加热，直到发生核聚变反应。

2 磁约束聚变与装置类别分析

在20世纪六七十年代，磁约束等离子燃烧核聚变研究已经经过了多次尝试和研究，依然取得了许多突破性的进展，世界各国相继创建了许多种功能各异、花样繁多的用于实现磁约束等离子燃烧核聚变反应的科学实验装置，主要有托卡马克、多极场、仿星器、磁场镜等不同磁场位形的装置。这些高科技试验装置的创建目的就是为了研究使磁约束等离子体的稳定性发生改变以及能量损耗的形成原理，并力图寻找出克服高温等离子体不稳定性和能量损耗的方法。为实现磁约束核聚变反应常用的装置是托卡马克装置，这个装置主要起到引流、等离子高温加热等作用，与其它装置相比较而言，托卡马克污染较少、安全性更高、运行稳定等优势。托卡马克是一种圆状环形强力磁场装置，由于其结构造型特殊，圆状环形的强力磁场以及极向磁场的相对稳定作用，使得高温等离子体的稳定性加强，抑制高温等离子体中带电粒子的消耗，并且通过高温等离子体中的带电粒子实现对等离子体的抑制、稳定以及运动方向等方面的控制，采用中性束摄入以及高温频率波加热装置对等离子体进行控制，将等离子体中带电粒子电流维持在未消耗状态。目前托卡马克已经成为磁约束反应研究的重点使用装置，并将成为最有可能实现核聚变反应走向商业化运作的有效途径。

3 聚变反应堆简述

核聚变能源作为一种能量巨大、环保、安全、原材料易取不尽的新兴能源，在解决世界普遍面临的能源危机和环境污染问题方面意义重大。核聚变反应发生的首要条件就是必须在高温条件下进行，因为高温条件下的等离子体以及质量较轻的原子核能够积聚而成质量较重的原子核，最后爆发整体能量。核聚变反应能通过对等离子体内的带电粒子进行控制，使其释放电能，这个过程中受控核聚变是最至关重要的环节。在核聚变反应中等离子体自身温度相当高，能超越一亿度，没有容器能够这巨大的高温面前存活，因此必须通过磁约束方式或者惯性约束方式将等离子体的温度控制在一定的范围。而常用的托卡马克装置就属于一种磁约束核聚变反应堆。目前核聚变反应用于发电领域非常广泛，发电效率极高。

4 磁流体力学分析

4.1 磁流体力学概念

磁流体力学是一门将流体力学与电动力学相互结合着重研究电流体和电磁场的两者之间相互作用的学科。因为带电粒子的导电流体在电磁场范围内活动过程中，导电流体会产生一定的电流，而电流与电磁场会发生作用，产生洛伦磁力，流体运动将会发生变化，最终引起电磁场产生变化。磁流体力学就是研究力学效应和电磁效应之间相互作用的学科，比如研究太阳黑子变化、磁约束聚变化学工业中的置换剂等。

4.2 磁流体力学的运用

磁约束核聚变的关键能量转换部件中，有关磁流体力学的运用便现在能量转换装置上面。以包层内锂铅流体力能为例，包层内部锂铅流体是一种磁约束核反应堆发生核聚变的能量载体，其能量的存储和释放都是靠包层内部锂铅来实现的。处于高温状态下的包层锂铅流体对外壁容器装置具有强大的侵蚀作用，因此为了反侵蚀，必须控制包层内部的锂铅流体温度，提高外壁容器的承受的温度限度。包层内的锂铅流体在磁场范围中活动时会引发磁流体力学反应，影响流体形态和流体运动速度，改变传热性质结构材料的热应力分布状况，同时对结构材料的侵蚀性以及氚性质结构材料的渗透性产生影响。在磁约束核聚变反应堆的包层中，主要能量转换部件内部的金属电力流动在强大的磁场作用下会发生大范围的三维流动过程以及传热传质变化过程。因为金属电力磁流动力是研究包层内部锂铅液态能量转换的关键途径，是值得研究的课题。因此磁流体力学在研究包层内的磁流体力流动和传热传质过程中时，表现为使用物理场作用、磁场强度巨大、流体通道三维几何变化形态多样、锂铅流体不透明等特征。

5 结语

磁约束核聚变作为一种能够控制带电粒子的温度防止能量消耗的核聚变反应对装置，在提高核聚变释放的能源利用效率方面具有重要作用。包层是磁约束核聚变中能量转换部件之一，担任着能量转换和传递的责任，因此对包层内部的锂铅流体的磁流体力学的反映研究能够找到能量转换的原理和改善能量转换的方式和途径，完善包层设计，提高能量转换效率，防止氚流体的渗透以及容器外壁的被腐蚀，通过降低温度和压力，减少结构材料表面温度，从而避免容器结构材料被侵蚀。

参考文献

[1] 倪明玖.磁约束核聚变反应堆研发相关的金属流体力学问题研究[J].中国科学，2013，43（12）：1570-1578.

[2] 万宝年.我国磁约束聚变研究进展和展望[J].中国科学基金，2010（1）：1-7.

[3] 潘传红.磁约束核聚变能源开发的进展和展望[J].2012，20（3）：244-247.