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| 編輯推薦： |
托卡马克作为磁约束聚变的主要装置类型，目前已成为重要的聚变能源途径。《托卡马克（第4版）》是众多国际聚变学界科学家就各自领域研究成果所写的专题汇总。
《托卡马克（第4版）》尽涉磁约束聚变的方方面面，包括等离子体物理原理，等离子体的平衡、稳定、约束、加热、与器壁的相互作用、诊断等内容，对每一方面都从原理上阐述了问题的来源和发展，列出了重要公式及其简明推导，给出了重要的数据图表。本书还对历史上有重要地位的装置及其成果给予了简介，对目前在运行的大型装置以及取得的进展也逐一作了介绍。
《托卡马克（第4版）》为聚变领域权威易读的专业著作。初学者可以通过本书尽览磁约束聚变全局，而不是只见树木不见森林；对于从业多年的研究者，《托卡马克（第4版）》可起到查阅数据、纵观问题始末的作用。
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| 內容簡介： |
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《托卡马克（第4版）》主要阐述磁约束聚变所涉各个方面，包括等离子体物理原理，等离子体的平衡、稳定、约束、加热、与器壁的相互作用、诊断等方面，并对历史上有重要地位的装置及其成果给予了简介，对目前在运行的大型装置和ITER的目标以及取得的进展逐一作了介绍。
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| 關於作者： |
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王文浩，清华大学 工程物理系 高级工程师，中国科学技术大学 近代物理系本科1983年毕业，理学博士，长期从事磁约束聚变等离子体和托卡马克装置的实验研究。曾译著《等离子体物理与聚变能》（MIT教材，科学出版社，2010年出版）和《等离子体科学》（美国国家科学院专题报告，科学出版社，2012年出版）等。发表SCI文章几十篇，1986年科大研究生毕业留校，主要从事等离子体物理教学和托卡马克等离子体诊断的研究。2003年在职博士毕业后应清华大学工程物理系之邀入工物系博士后流动站工作，主要从事球形托卡马克的实验研究和学科教学建设工作，出站后留校工作至今。
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| 目錄：
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第1章聚变
1.1聚变和托卡马克
1.2聚变反应
1.3热核聚变
1.4聚变功率平衡
1.4.1热核功率
1.4.2能量损失
1.4.3α粒子加热
1.4.4功率平衡
1.5点火
1.5.1点火条件
1.5.2点火方法
1.6托卡马克
1.7托卡马克反应堆
1.7.1反应堆结构
1.7.2反应堆参数
1.7.3反应堆功率
1.7.4杂质
1.8燃料资源
1.9托卡马克的经济学分析
1.10 托卡马克的研究
参考文献
第2章等离子体物理
2.1托卡马克等离子体
2.2德拜屏蔽
2.3等离子体频率
2.4拉莫尔轨道运动
2.5粒子沿磁场B的运动
2.5.1E∥引起的加速
2.5.2Δ∥B引起的加速
2.6粒子漂移
2.6.1E×B漂移
2.6.2ΔB漂移
2.6.3曲率漂移
2.6.4极化漂移
2.7绝热不变量
2.7.1磁矩
2.7.2第二个和第三个绝热不变量
2.8碰撞
2.8.1动量和能量变化
2.9动力学方程
2.10福克普朗克方程
2.11回旋平均动力学方程组
2.12等离子体的福克普朗克方程
2.13麦克斯韦分布下的福克普朗克系数
2.14弛豫过程
2.15碰撞时间
2.16电阻率
2.17逃逸电子
2.18电磁学
2.19流体方程组
2.20磁流体力学
2.21等离子体流体物理
2.21.1流体速度
2.21.2压强平衡
2.21.3压强张量
2.21.4磁场的“冻结”
2.21.5极化
2.22等离子体的逆磁性
2.23布拉金斯基方程组
2.23.1连续性方程
2.23.2动量方程
2.23.3能量方程
2.24等离子体波
2.24.1等离子体振荡
2.24.2横电磁波
2.24.3声波
2.24.4磁流体力学波
2.24.5剪切阿尔文波
2.24.6磁声波
2.25朗道阻尼
参考文献
第3章平衡
3.1托卡马克平衡
3.2磁面函数
3.3格拉德沙弗拉诺夫方程
3.4安全因子q
3.4.1q分布
3.5比压β
3.6大环径比
3.7沙弗拉诺夫位移
3.8真空磁场
3.9电场
3.10粒子轨道
3.11粒子俘获
3.12俘获粒子轨道
3.12.1土豆轨道
3.12.2一般轨道
3.13等离子体旋转
3.13.1离心效应
3.14电流驱动
3.14.1中性束注入
3.14.2低杂波电流驱动
3.14.3快波电子电流驱动
3.14.4电子回旋波电流驱动
3.14.5快波少数离子电流驱动
3.15小结
参考文献
第4章约束
4.1托卡马克约束
4.2电阻性等离子体扩散
4.3柱形等离子体中的扩散
4.4普费尔施施吕特电流
4.5普费尔施施吕特扩散
4.6香蕉区输运
4.6.1动力学理论
4.6.2福克普朗克方程的解
4.6.3输运系数
4.7平台区输运
4.8韦尔箍缩效应
4.9自举电流
4.10新经典电阻率
4.11波纹输运
4.11.1碰撞波纹阱的俘获输运
4.11.2快粒子的波纹阱损失
4.11.3碰撞波纹扩散
4.11.4随机扩散
4.11.5实验研究
4.12约束模式和定标律表达式
4.12.1欧姆加热等离子体
4.12.2L模约束
4.12.3H模约束
4.12.4其他的改善约束模
4.13H模
4.14内部输运垒
4.15定标律
4.15.1理论
4.15.2实验定标关系
4.16输运系数
4.17涨落
4.17.1观测结果
4.17.2与输运的相关性
4.18湍流引起的输运
4.18.1静电涨落引起的输运
4.18.2磁涨落引起的输运
4.18.3准线性理论
4.18.4饱和水平与输运通量
4.19径向电场剪切与输运
4.20引起反常输运的不稳定性候选模式
4.21湍流模拟
4.22临界梯度、边缘输运垒和台基
4.23杂质输运
4.24实验发现
4.24.1X事件和功率关断实验
4.24.2LH转换
4.24.3窄的转换区间
4.25辐射损失
4.25.1轫致辐射
4.25.2回旋（同步）辐射
4.26杂质辐射
参考文献
第5章加热
5.1等离子体加热
5.2欧姆加热
5.3中性束注入
5.4中性束加热
5.4.1束的慢化
5.4.2离子电子加热比例
5.4.3分布函数
5.4.4实验
5.5中性束的产生
5.5.1离子源
5.5.2加速器
5.5.3中性化室
5.5.4负离子源
5.6射频波加热
5.7射频加热物理
5.7.1波的偏振
5.7.2局域描述
5.7.3全波描述
5.7.4波粒子无碰撞耗散
5.7.5平衡分布函数的演化
5.8离子回旋共振加热
5.8.1双离子成分等离子体的加热模式
5.8.2少数粒子临界浓度
5.8.3热化的少数粒子分布函数
5.8.4实验进展小结
5.9低杂波共振加热
5.10电子回旋共振加热
参考文献
第6章磁流体力学的稳定性
6.1磁流体力学稳定性
6.2稳定性理论
6.3增长率
6.4能量原理
6.5托卡马克不稳定性
6.6大环径比托卡马克
6.7扭曲不稳定性
6.8撕裂模
6.8.1外部区域
6.8.2电阻层
6.9撕裂模的稳定性
6.9.1导体壁边界条件
6.10内扭曲模
6.11电阻性m=1模
6.11.1电阻性m=1扭曲模
6.11.2m=1撕裂模
6.11.3统一的m=1理论
6.12局域模
6.13气球模
6.14气球模稳定性
6.15轴对称模
6.16电阻壁模
6.17环向阿尔文本征模
6.18β极限
参考文献
第7章宏观不稳定性
7.1各种不稳定性
7.2磁岛
7.3撕裂模
7.3.1内部驱动撕裂模
7.3.2新经典撕裂模
7.4米尔诺夫不稳定性
7.5电流穿透
7.6锯齿振荡
7.6.1卡多姆采夫模型
7.7破裂
7.8破裂的原因
7.8.1低q破裂
7.8.2密度极限破裂
7.9破裂的物理机制
7.9.1撕裂模不稳定性
7.9.2撕裂模的增长
7.9.3快变阶段
7.9.4电流衰减
7.9.5逃逸电子电流
7.9.6真空室壁的感应电流
7.10锁模
7.11误差场不稳定性
7.12垂直不稳定性
7.13遍历性
7.14鱼骨不稳定性
7.15阿尔文不稳定性
7.15.1阿尔文级联
7.16MARFE
7.17边缘局域模
7.18运行综述
参考文献
第8章微观不稳定性
8.1各种微观不稳定性
8.2电子漂移波
8.3通行粒子不稳定性
8.3.1电子漂移波模
8.3.2环形电子漂移模
8.3.3ηi模或离子温度梯度模
8.3.4ηe模
8.4俘获粒子不稳定性
8.4.1无碰撞俘获粒子不稳定性
8.4.2耗散俘获粒子不稳定性
8.4.3俘获离子模
8.4.4耗散性俘获电子模
8.5微撕裂模
参考文献
第9章等离子体与表面的相互作用
9.1等离子体与约束表面的相互作用
9.2等离子体鞘
9.3限制器
9.4刮削层
9.4.1刮削层内Te和ne的径向分布
9.4.2LCFS外的平行输运
9.5再循环和氚滞留
9.5.1氚滞留
9.6原子与分子过程
9.7壁处理
9.7.1放电清洗
9.7.2金属薄膜
9.7.3非金属膜
9.8溅射
9.8.1物理溅射
9.8.2化学溅射
9.8.3溅射模型
9.9材料选择
9.10起弧
9.11偏滤器
9.11.1一维刮削层模型
9.11.2刮削层中径向功率分布
9.11.3偏滤器内功率的体损失率
9.11.4SOL中的平行流
9.11.5偏滤器中的流
9.11.6一般设计考虑
9.12热流、蒸发和热输运
参考文献
第10章诊断
10.1托卡马克诊断
10.1.1测量结果的解释
10.2磁测量
10.2.1等离子体电流
10.2.2环路电压
10.2.3等离子体表面
10.2.4等离子体位置和形状
10.2.5等离子体的能量和内电感
10.2.6不稳定性的测量
10.3干涉法
10.3.1旋光法
10.3.2科顿穆顿效应
10.4反射法
10.5电子温度的测量
10.5.1汤姆孙散射
10.5.2电子回旋辐射
10.6离子温度与离子分布函数
10.6.1中性粒子的产生
10.6.2用中性粒子分析器得到Ti
10.6.3用电荷交换谱仪测量Ti
10.7等离子体辐射
10.7.1电离态
10.7.2辐射的产生
10.7.3总辐射功率
10.7.4测量辐射
10.8总辐射测量
10.8.1辐射量热计
10.8.2软X射线
10.9断层扫描成像术
10.10朗缪尔探针
10.10.1探针类型
10.10.2单探针
10.10.3双探针
10.10.4三探针
10.11涨落的测量
10.11.1重离子束探针
10.11.2束发射谱
10.11.3e的散射测量
10.11.4e的相关测量和多普勒反射计测量
10.11.5e的ECE相关测量
10.12q分布的确定
10.13聚变产物测量
10.13.1中子通量
10.13.2活化探针
10.13.3中子谱仪
10.13.4中子和g分布的监测
10.13.5α粒子的测量
参考文献
第11章托卡马克实验
11.1中小型托卡马克实验
11.2T3——库尔恰托夫研究所（莫斯科）
11.3ST——普林斯顿大学等离子体物理实验室（美国）
11.4JFT2——日本原子能研究所（东京）
11.5Alcator A，Alcator C和Alcator CMod——麻省理工学院（美国）
11.5.1Alcator CMod
11.6TFR——法国原子能委员会（法国）
11.7DITE——卡拉姆实验室（英国阿宾登）
11.8PLT——普林斯顿大学等离子体物理实验室（美国）
11.9T10——库尔卡托夫研究所（莫斯科）
11.10ISX——橡树岭国家实验室（美国）
11.11FT和FTU——能源研究中心，弗拉斯卡蒂，意大利
11.11.1FTU
11.12DⅢ——通用原子能公司（美国圣地亚哥）
11.13ASDEX——马克斯·普朗克等离子体物理研究所（德国伽兴）
11.14TEXT——德克萨斯大学奥斯汀分校（美国）
11.15TEXTOR——基础科学研究中心（德国于利希）
11.16Tore Supra——CEA（法国卡达拉什）
11.17COMPASS——UKAEA卡拉姆科学中心（英国阿宾登）
11.18RTP——FOM等离子体物理研究所（荷兰Rijnhuizen）
11.19START——卡拉姆实验室（英国阿宾登）
11.20MAST——CCFE卡拉姆科学中心（英国阿宾登）
11.21NSTX——普林斯顿大学等离子体物理实验室（美国）
11.22TCV——瑞士理工大学等离子体物理研究中心
11.23托卡马克参数
参考文献
第12章大型托卡马克
12.1大型托卡马克实验
12.2TFTR——美国普林斯顿大学等离子体物理实验室
12.2.1欧姆加热等离子体
12.2.2高功率加热实验
12.2.3MHD研究
12.2.4输运和约束
12.2.5氘氚混合实验
12.3JET——欧洲联合环（英国阿宾登）
12.3.1限制器实验
12.3.2磁分离实验
12.3.3磁流体力学行为和运行极限
12.3.4输运与约束研究
12.3.5偏滤器研究和等离子体表面相互作用
12.3.6电流驱动和剖面控制实验
12.3.7高性能等离子体和氘氚实验
12.4JT60/JT60U——日本原子能研究院（日本那珂）
12.4.1JT60上的加热和约束
12.4.2偏滤器研究
12.4.3电流驱动和稳态运行
12.4.4MHD研究
12.4.5JT60U上的约束和聚变性能
12.5DⅢD——通用原子公司，圣地亚哥，美国
12.5.1约束和H模的研究
12.5.2增强约束和高性能
12.5.3MHD研究
12.5.4电流驱动
12.5.5偏滤器性能
12.6ASDEX Upgrade——马克斯·普朗克等离子体物理研究所（德国伽兴）
12.6.1ASDEXU的主要参数
12.6.2偏滤器物理
12.6.3等离子体与壁的相互作用和作为壁材料的钨
12.6.4与运行边界相关的等离子体边缘区
12.6.5约束与输运研究
12.6.6ELM搏动、粒子输运、加料和密度剖面
12.6.7先进运行模式和内部输运垒
12.6.8磁流体力学稳定性
12.7EAST——等离子体物理研究所（中国合肥）
12.8KSTAR——先进研究、国家聚变研究院（韩国大田）
参考文献
第13章未来
13.1现状
13.2战略
13.3反应堆要求
13.3.1约束
13.3.2破裂
13.3.3排气
13.3.4技术
13.4反应堆功率平衡
13.4.1H模约束
13.4.2α粒子功率
13.4.3L模约束
13.4.4H模阈值
13.4.5轫致辐射
13.4.6动力反应堆
13.4.7实验反应堆
13.5ITER
13.6ITER的性能评估
13.6.1运行模式
13.6.2感应驱动
13.6.3稳态运行
13.7前景
13.7.1发电厂
13.7.2展望
参考文献第14章附录
14.1矢量关系
14.2微分算子
14.3单位及其变换
14.4物理常数
14.5库仑对数
14.6碰撞时间
14.7长度
14.7.1德拜长度
14.7.2拉莫尔半径（热粒子，v2⊥=2v2T）
14.7.3平均自由程（vT×碰撞时间）（Z=1）
14.8频率
14.8.1等离子体频率
14.8.2回旋频率
14.9速度
14.9.1热速度
14.9.2阿尔文速度
14.10电阻率
14.11χi的张欣顿（ChangHinton）公式
14.12自举电流
14.13约束定标关系
14.14等离子体形状
14.15公式
14.16符号
参考文献
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在聚变研究的早期，当我在环形器上工作时，所获得的等离子体温度大约为10eV，其约束时间约为100μs。在接下来的30年里，该领域有了稳定的进展，在1987年本书的第1版中，大型托卡马克装置的温度达到了几个keV，持续时间达到了1s。
自那以后，托卡马克已成为从热核聚变中获得有用能源的主要装置。随着研究活动的深入和人们对托卡马克兴趣的普遍增加，需要对这个主题有一个入门性的介绍，本书第1版的目的正是提供这样一个导引。
在随后直到出版第2版的10年里，这个主题又有所改变。现在已经可以用公认的理论来理解实验行为，这是令人鼓舞的。在大型托卡马克上进行的大量研究取得了人们期待已久的产生巨大聚变功率的成就。这一成就使我们不可避免地面临如何设计和建造托卡马克反应堆的问题。第2版的目的就是要描述这些进展。作为该学科发展的一种衡量，第2版的内容规模是第1版的两倍。2004年，借着重印的机会，我将本书更新为第3版。
对于这个第4版，我必须认识到，我在这个领域已不再活跃，我得依靠别人的建议来进行所需的更新。幸运的是，我寻求这些帮助的请求得到了我所接触的专家们的热烈响应。
本领域的主要课题目前已经从科学上感兴趣的问题转化为设计和运行实验反应器ITER所面临的关键问题。这一转变的重点在本版的重大变化中得到体现。
尽管这门学科的复杂性越来越高，但我希望，本书对那些进入本领域的年轻学者，对于从事托卡马克研究并且希望获得与其相关的其他领域的知识的专家，对于那些不从事托卡马克研究但希望了解有关的基本概念、方法和相关问题的人来说，仍然是有用的。本书的另一个目的是要提供一部有关研究人员经常需要查找的方程、公式和数据的手册。
我很荣幸能与众多杰出的物理学家合作，他们都是我的合作者。他们的合作精神使这一努力成为一种乐趣。我非常感谢我的妻子奥莉芙（Olive）在费时的手稿准备过程中提供的支持。我要感谢卡罗尔·西蒙斯（Carol Simmons）、比吉塔·克罗伊斯代尔（Birgitta Croysdale）和英格丽·法雷利（Ingrid Farrelly），她们为第1版和第2版做了大量录入工作；还要感谢琳达·李（Lynda Lee），她在编写第3版和第4版时给予了非常大的帮助。我还要感谢斯图尔特·莫利斯（Stuart Morris）、查德·海斯（Chad Heys）和拉塞尔·佩里（Russell Perry），他们不遗余力地制作了高质量的图表。
后，我想把本书献给我在世界各地的聚变物理学家朋友和同事，他们为国际合作树立了一个值得效仿的出色榜样。
约翰·韦森
2011年3月 英格兰
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