大破裂
大破裂(disruption)是托卡马克中等离子体电流急剧丧失、约束突然崩溃的现象。它是利用大电流进行约束的托卡马克所特有的难题。
通俗定义(高中水平)
Section titled “通俗定义(高中水平)”托卡马克利用流经等离子体自身的大电流所产生的磁场来实现约束。然而,一旦某种诱因使等离子体变得不稳定,这个电流和约束就可能在数毫秒这样极短的时间内瞬间丧失。这就是大破裂。
打个比方,陀螺在高速旋转时能稳稳地立着,但某一刻突然失去平衡就会倒下。在倒下的瞬间,所蓄积的巨大能量会一下子涌向装置的壁面,因而有损坏装置的危险。
严格定义(本科及以上)
Section titled “严格定义(本科及以上)”大破裂大致可分为两个阶段来理解。
第一个阶段是热猝灭(thermal quench)。不稳定性增长导致等离子体约束被破坏,等离子体所蓄积的热能会在约 1 毫秒内释放到壁面或偏滤器上。等离子体温度急剧下降。
第二个阶段是电流猝灭(current quench)。温度下降使等离子体的电阻升高,等离子体电流 在数毫秒到数十毫秒内衰减。电流的急剧时间变化 会在装置的导体中感应出巨大的涡流,涡流与磁场相互作用产生强大的电磁力。
此外,电流猝灭过程中产生的强感应电场会将一部分电子加速到接近光速,形成被称为逃逸电子(runaway electrons)的高能电子束。逃逸电子一旦局部撞击到壁面,就可能造成严重的损伤。
在聚变研究中的作用
Section titled “在聚变研究中的作用”大破裂是把等离子体电流用于约束的托卡马克所特有的难题。在 ITER 这样的大型装置中,蓄积能量越大,热负荷、电磁力和逃逸电子的影响就越严重。因此,事先捕捉不稳定性征兆的预测,以及通过注入大量气体或弹丸使能量均匀分散的缓解(disruption mitigation)研究,在实用堆的设计中占据着重要位置。仿星器作为不需要等离子体电流的方式而受到关注,其原因之一也在于它在原理上不易发生大破裂。