等离子体物理专业简介及招生信息

1.   发展历程

西南交通大学物理科学与技术学院等离子体物理专业依托于聚变科学研究所，致力于磁约束聚变（人造太阳）相关的物理研究，以期最终解决人类的能源问题。聚变科学研究所成立于2014年9月，目前拥有6名毕业于知名大学的教师队伍和14名在读博士、硕士研究生。研究所拥有600平方米的实验室，正在与日本国家核融合科学研究所（National Institute Fusion Science, NIFS）合作共建中国第一台准环对称仿星器（Chinese First Quasi-axisymmetric Stellarator, CFQS），此装置建成后我所将拥有世界上位形最先进的仿星器装置，这将有利于探索磁约束聚变的先进位形，推进国际磁约束聚变研究的进展。

2.   磁约束聚变等离子体物理简介

人类的能源需求是制约人类发展的永恒课题！随着经济、社会的发展，人类对能源的需求越来越大，但现有的能源体系中，主要以传统的煤、石油、天然气等是不可再生能源为主。这些能源都对环境有巨大的污染，并且在未来100-200年内将消耗殆尽；水能、风能、太阳能等虽是可再生能源，但它们非常受限于地域和环境，且发电量有限；核裂变能也存在着严重的环境污染问题，且其燃料铀的储存量也很有限。届时，人类将依靠什么来维持高速的发展？通过对各种能源的研究和比较，科学家一致认为核聚变能可能是解决人类未来能源问题的根本出路。

我们知道，当两个轻核克服库仑力聚合成一个较重的核，会发生质量亏损，根据爱因斯坦的质能关系E = m₀c²，这将释放出巨大的能量，这就是核聚变（nuclearfusion）反应，见图1。研究发现，单位质量的氘核聚变反应释放的能量是单位质量的铀核裂变反应释放能量的4倍，因此聚变能是比裂变能更为巨大的一种核能。太阳及所有恒星释放的能量都来源于核聚变反应。人类在上个世纪50年代就实现了核聚变反应——氢弹，但氢弹是不受控的核聚变反应，若要把核聚变反应释放的巨大能量利用起来，就必须实现受控核聚变。实现受控聚变的方式主要有引力约束（太阳），惯性约束（激光聚变）和磁约束聚变（magneticconfinementfusion），而在地球上实现受控聚变的方式主要是后两种。

氘氚聚变反应要求粒子达到1亿度的高温，在如此高的温度下，粒子已经被完全电离成等离子体（plasma）状态。等离子体是物质的第四态，在宇宙中99%的可见物质都是等离子体，例如常见的火焰、日光灯、闪电以及恒星等。磁约束聚变是利用磁场来约束高温等离子体，从而实现受控聚变。实现磁约束聚变的装置主要有托卡马克（tokamak）和仿星器（stellarator），见图2。

托卡马克是利用外加的环向磁场线圈（二维平面线圈）产生的环向磁场和环形等离子体电流产生的极向磁场形成螺旋状的磁场来约束高温等离子体，而仿星器中的螺旋状磁场则完全由外加三维空间结构的磁场线圈产生。因此仿星器的位形远比托卡马克复杂，但由于仿星器中没有等离子体电流，也就不存在由于等离子体电流引起的等离子体大破裂。没有大破裂，这是仿星器的最大优点。等离子体的大破裂是托卡马克面临的最严重问题，这制约了托卡马克的发展。所以，当前国际上主流的磁约束聚变装置是托卡马克。

目前，国际上主要的托卡马克有：JET，JT-60U，DIII-D，AUG，Tore-supra，TEXTOR，TCV，KSTAR，以及由中国、美国、欧盟、日本、韩国、印度和俄罗斯七方共同出资建造的国际热核聚变实验堆（ITER，耗资约1000亿人民币，见图3）等；主要的仿星器有：LHD，W7-X（见图4），TJ-II，HeliotronJ等。目前在中国有4台托卡马克装置，包括中国科学院等离子体物理研究所的EAST，核工业西南物理研究院的HL-2A，华中科技大学的J-TEXT，清华大学的SUNIST，还有一台位于中国科学技术大学的反场箍缩装置KTX。在上个世纪70年代，核工业西南物理研究院曾探索过仿星器装置，但由于仿星器的复杂性，该装置没有取得成功。此后，中国的仿星器研究处于一片空白。仿星器装置作为一种优良的磁约束聚变装置，跟托卡马克相比，有许多优点。2015年德国W7-X仿星器点火成功，并在随后的放电中实现了长达30分钟的高温等离子体约束，这一成果轰动了世界。由此，仿星器的设计方案也被公认为是未来核电站聚变反应堆的发展方向之一。

仿星器从发展到现在，共经历了三代，其中W7-X和LHD属于第二代，而第三代仿星器，即准环对称仿星器，世界上还没有任何一个国家建造出来。西南交通大学聚变科学研究所与日本国家核融合科学研究所（世界上首屈一指的仿星器研究机构）合作共建中国第一台准环对称仿星器CFQS（第三代仿星器）已于2017年7月3日拉开帷幕，建成后中国将拥有世界上位形最先进的仿星器装置，这将有利于推进国际磁约束聚变研究的进展。

目前，CFQS仿星器已完成物理设计，CFQS的工程设计正紧锣密鼓的开展，预计在2021年实现等离子体放电。

3.   研究方向

依托正在建造的中国第一台准环对称仿星器CFQS，聚变科学研究所开展了聚变等离子体物理理论、聚变科学实验和聚变工程等研究方向。具体研究内容包括三维等离子体物理、等离子体的湍流和输运、磁流体不稳定性、波与等离子体相互作用、等离子体诊断、等离子体与壁材料相互作用以及聚变装置的设计和优化等。

(1)  聚变等离子体物理理论

该研究方向主要通过理论模拟的方法研究聚变等离子体的行为特性，探索其物理机制，从而进一步指导实验研究工作。理论模拟研究因其可以不依赖于实际装置，因此研究的范围很广。此外，理论模拟研究还有物理图像清晰，可视化好等优点，但理论模拟研究结果的正确性需要通过实验验证。该研究方向包括三维等离子体物理、等离子体的湍流和输运、磁流体不稳定性、波与等离子体相互作用等具体内容。

(2)  聚变等离子体物理实验

该研究方向通过在装置上开展实验研究，利用多种诊断手段获得等离子体参数，并结合数据处理方法来研究等离子体的基本特征，探索其物理机制。实验研究依托于实验装置和诊断手段，研究范围局限于装置，但其研究结果真实可靠。由于磁约束聚变等离子体物理的复杂性，磁约束聚变研究一般是实验发现推动理论模拟的发展。该研究方向包括三维等离子体物理、等离子体的湍流和输运、磁流体不稳定性、波与等离子体相互作用、等离子体诊断、等离子体与壁材料相互作用等具体内容。

(3)  聚变工程

该研究方向从事聚变装置的物理和工程设计，并通过多种方法来优化装置的物理和工程设计，保证装置物理性能的优异性、工程的可执行性及装置的安全性等。该研究方向包括聚变装置的磁面设计、磁场线圈设计、真空室及窗口设计、装置支撑设计等具体内容，见图5。

4.   招生、培养及就业情况

聚变科学研究所面向全国高等院校招收物理、电气、电子、材料等相关理工科专业的本科毕业生，欢迎推免或第一志愿报考本专业。

聚变科学研究所目前拥有2000多万元的科研经费，承担多项国家自然科学基金项目，参与多项国家重点研发计划项目。此外，研究所还正在申请国家自然科学基金重点国际（地区）合作研究项目和多项国家重点研发计划项目。研究所同国内外众多科研院校保持着良好的合作关系，包括中国科学院等离子体物理研究所、核工业西南物理研究院、中国科学技术大学、清华大学、浙江大学、华中科技大学、四川大学、大连理工大学等，以及日本国家核融合科学研究所、德国的Jülich聚变研究所、日本的京都大学和美国的普林斯顿大学等。

研究所科研经费充足，学术氛围活跃，国际、国内学术交流频繁，拥有很多与国内外知名专家学习和交流的机会，并且有许多与国内、国际相关合作院校联合培养的机会。研究所现在正与日本的NIFS合作建设中国第一台准环对称仿星器，迫切需要大量的多方面人员参与。目前，国家也正在大力发展磁约束聚变，磁约束聚变作为可能解决人类能源问题的出路，已成为国家26个重点研发项目之一，因此也需要大量的人员加入磁约束聚变研究的队伍。欢迎同学们报考等离子体物理专业，让我们齐心协力，建成中国第一台准环对称仿星器，为祖国的聚变事业及人类的聚变事业奉献我们的聪明才智！

聚变科学研究所拥有良好的学术氛围、丰富的师资和严谨的教育体系，报考我所的研究生经过硕士和博士阶段的学习，定能成长为一名合格的磁约束聚变研究人员。

5.   招生名额与考试科目

6.   研究生学费、奖学金、基金情况简介

7.   联系方式

关于聚变科学研究所的更多情况请关注西南交通大学网站（http://www.swjtu.edu.cn/）、校研究生网站（http://gs.swjtu.edu.cn/）、物理科学与技术学院网站（http://phys.swjtu.edu.cn/index.html）以及国内外相关网站。招生咨询或聚变等离子体物理专业咨询，请联系聚变科学研究所的黄老师（电话：028-87601328，邮箱: jiehuang@swjtu.edu.cn）。