西南交通大學物理科學與技術學院等離子體物理專業簡介及招生信息 正文

1.   發展歷程
西南交通大學物理科學與技術學院等離子體物理專業依托于聚變科學研究所，致力于磁約束聚變（人造太陽）相關的物理研究，以期最終解決人類的能源問題。聚變科學研究所成立于2014年9月，目前擁有6名畢業于知名大學的教師隊伍和14名在讀博士、碩士研究生。研究所擁有600平方米的實驗室，正在與日本國家核融合科學研究所（National Institute Fusion Science, NIFS）合作共建中國第一臺準環對稱仿星器（Chinese First Quasi-axisymmetric Stellarator, CFQS），此裝置建成后我所將擁有世界上位形最先進的仿星器裝置，這將有利于探索磁約束聚變的先進位形，推進國際磁約束聚變研究的進展。
2.   磁約束聚變等離子體物理簡介
人類的能源需求是制約人類發展的永恒課題！隨著經濟、社會的發展，人類對能源的需求越來越大，但現有的能源體系中，主要以傳統的煤、石油、天然氣等是不可再生能源為主。這些能源都對環境有巨大的污染，并且在未來100-200年內將消耗殆盡；水能、風能、太陽能等雖是可再生能源，但它們非常受限于地域和環境，且發電量有限；核裂變能也存在著嚴重的環境污染問題，且其燃料鈾的儲存量也很有限。屆時，人類將依靠什么來維持高速的發展？通過對各種能源的研究和比較，科學家一致認為核聚變能可能是解決人類未來能源問題的根本出路。
我們知道，當兩個輕核克服庫侖力聚合成一個較重的核，會發生質量虧損，根據愛因斯坦的質能關系E = m0c2，這將釋放出巨大的能量，這就是核聚變（nuclearfusion）反應，見圖1。研究發現，單位質量的氘核聚變反應釋放的能量是單位質量的鈾核裂變反應釋放能量的4倍，因此聚變能是比裂變能更為巨大的一種核能。太陽及所有恒星釋放的能量都來源于核聚變反應。人類在上個世紀50年代就實現了核聚變反應——氫彈，但氫彈是不受控的核聚變反應，若要把核聚變反應釋放的巨大能量利用起來，就必須實現受控核聚變。實現受控聚變的方式主要有引力約束（太陽），慣性約束（激光聚變）和磁約束聚變（magneticconfinementfusion），而在地球上實現受控聚變的方式主要是后兩種。 
氘氚聚變反應要求粒子達到1億度的高溫，在如此高的溫度下，粒子已經被完全電離成等離子體（plasma）狀態。等離子體是物質的第四態，在宇宙中99%的可見物質都是等離子體，例如常見的火焰、日光燈、閃電以及恒星等。磁約束聚變是利用磁場來約束高溫等離子體，從而實現受控聚變。實現磁約束聚變的裝置主要有托卡馬克（tokamak）和仿星器（stellarator），見圖2。 
托卡馬克是利用外加的環向磁場線圈（二維平面線圈）產生的環向磁場和環形等離子體電流產生的極向磁場形成螺旋狀的磁場來約束高溫等離子體，而仿星器中的螺旋狀磁場則完全由外加三維空間結構的磁場線圈產生。因此仿星器的位形遠比托卡馬克復雜，但由于仿星器中沒有等離子體電流，也就不存在由于等離子體電流引起的等離子體大破裂。沒有大破裂，這是仿星器的最大優點。等離子體的大破裂是托卡馬克面臨的最嚴重問題，這制約了托卡馬克的發展。所以，當前國際上主流的磁約束聚變裝置是托卡馬克。
目前，國際上主要的托卡馬克有：JET，JT-60U，DIII-D，AUG，Tore-supra，TEXTOR，TCV，KSTAR，以及由中國、美國、歐盟、日本、韓國、印度和俄羅斯七方共同出資建造的國際熱核聚變實驗堆（ITER，耗資約1000億人民幣，見圖3）等；主要的仿星器有：LHD，W7-X（見圖4），TJ-II，HeliotronJ等。目前在中國有4臺托卡馬克裝置，包括中國科學院等離子體物理研究所的EAST，核工業西南物理研究院的HL-2A，華中科技大學的J-TEXT，清華大學的SUNIST，還有一臺位于中國科學技術大學的反場箍縮裝置KTX。在上個世紀70年代，核工業西南物理研究院曾探索過仿星器裝置，但由于仿星器的復雜性，該裝置沒有取得成功。此后，中國的仿星器研究處于一片空白。仿星器裝置作為一種優良的磁約束聚變裝置，跟托卡馬克相比，有許多優點。2015年德國W7-X仿星器點火成功，并在隨后的放電中實現了長達30分鐘的高溫等離子體約束，這一成果轟動了世界。由此，仿星器的設計方案也被公認為是未來核電站聚變反應堆的發展方向之一。

仿星器從發展到現在，共經歷了三代，其中W7-X和LHD屬于第二代，而第三代仿星器，即準環對稱仿星器，世界上還沒有任何一個國家建造出來。西南交通大學聚變科學研究所與日本國家核融合科學研究所（世界上首屈一指的仿星器研究機構）合作共建中國第一臺準環對稱仿星器CFQS（第三代仿星器）已于2017年7月3日拉開帷幕，建成后中國將擁有世界上位形最先進的仿星器裝置，這將有利于推進國際磁約束聚變研究的進展。
目前，CFQS仿星器已完成物理設計，CFQS的工程設計正緊鑼密鼓的開展，預計在2021年實現等離子體放電。
3.   研究方向
依托正在建造的中國第一臺準環對稱仿星器CFQS，聚變科學研究所開展了聚變等離子體物理理論、聚變科學實驗和聚變工程等研究方向。具體研究內容包括三維等離子體物理、等離子體的湍流和輸運、磁流體不穩定性、波與等離子體相互作用、等離子體診斷、等離子體與壁材料相互作用以及聚變裝置的設計和優化等。
(1)  聚變等離子體物理理論
該研究方向主要通過理論模擬的方法研究聚變等離子體的行為特性，探索其物理機制，從而進一步指導實驗研究工作。理論模擬研究因其可以不依賴于實際裝置，因此研究的范圍很廣。此外，理論模擬研究還有物理圖像清晰，可視化好等優點，但理論模擬研究結果的正確性需要通過實驗驗證。該研究方向包括三維等離子體物理、等離子體的湍流和輸運、磁流體不穩定性、波與等離子體相互作用等具體內容。
(2)  聚變等離子體物理實驗
該研究方向通過在裝置上開展實驗研究，利用多種診斷手段獲得等離子體參數，并結合數據處理方法來研究等離子體的基本特征，探索其物理機制。實驗研究依托于實驗裝置和診斷手段，研究范圍局限于裝置，但其研究結果真實可靠。由于磁約束聚變等離子體物理的復雜性，磁約束聚變研究一般是實驗發現推動理論模擬的發展。該研究方向包括三維等離子體物理、等離子體的湍流和輸運、磁流體不穩定性、波與等離子體相互作用、等離子體診斷、等離子體與壁材料相互作用等具體內容。
(3)  聚變工程
該研究方向從事聚變裝置的物理和工程設計，并通過多種方法來優化裝置的物理和工程設計，保證裝置物理性能的優異性、工程的可執行性及裝置的安全性等。該研究方向包括聚變裝置的磁面設計、磁場線圈設計、真空室及窗口設計、裝置支撐設計等具體內容，見圖5。

4.   招生、培養及就業情況
聚變科學研究所面向全國高等院校招收物理、電氣、電子、材料等相關理工科專業的本科畢業生，歡迎推免或第一志愿報考本專業。
聚變科學研究所目前擁有2000多萬元的科研經費，承擔多項國家自然科學基金項目，參與多項國家重點研發計劃項目。此外，研究所還正在申請國家自然科學基金重點國際（地區）合作研究項目和多項國家重點研發計劃項目。研究所同國內外眾多科研院校保持著良好的合作關系，包括中國科學院等離子體物理研究所、核工業西南物理研究院、中國科學技術大學、清華大學、浙江大學、華中科技大學、四川大學、大連理工大學等，以及日本國家核融合科學研究所、德國的Jülich聚變研究所、日本的京都大學和美國的普林斯頓大學等。
研究所科研經費充足，學術氛圍活躍，國際、國內學術交流頻繁，擁有很多與國內外知名專家學習和交流的機會，并且有許多與國內、國際相關合作院校聯合培養的機會。研究所現在正與日本的NIFS合作建設中國第一臺準環對稱仿星器，迫切需要大量的多方面人員參與。目前，國家也正在大力發展磁約束聚變，磁約束聚變作為可能解決人類能源問題的出路，已成為國家26個重點研發項目之一，因此也需要大量的人員加入磁約束聚變研究的隊伍。歡迎同學們報考等離子體物理專業，讓我們齊心協力，建成中國第一臺準環對稱仿星器，為祖國的聚變事業及人類的聚變事業奉獻我們的聰明才智！
聚變科學研究所擁有良好的學術氛圍、豐富的師資和嚴謹的教育體系，報考我所的研究生經過碩士和博士階段的學習，定能成長為一名合格的磁約束聚變研究人員。
 
 
 
5.   招生名額與考試科目

專業代碼及研究方向	招生人數	考試科目
070204等離子體物理 01. 聚變等離子體物理理論 02. 聚變等離子體物理實驗 03. 聚變工程	6	①101思想政治理論 ②201英語一 ③高等數學   ④普通物理學

 
6.   研究生學費、獎學金、基金情況簡介

1.     學業獎學金：每年評一次，覆蓋率85%，其中一等獎占15%(免交學費)，二等獎占30%(免60%學費)，三等獎占 40% (免30%學費)。(學費:每年0.8萬元)

2.   國家研究生助學金： 每人18000元(3年總計)，覆蓋率100%

3.   國家獎學金： 2萬元(每年 4-5 人)

4.   研究生實驗實踐創新基金：5000元-8000元(每年 3-5 人)

5.   專項獎學金： 竢實揚華獎學金、   唐立新獎學金等

6.   其他獎助學金：研究所還為每個研究生提供額外的獎勵，參加科研項目的同學還將獲得項目津貼。另外，研究生還可以申請大學物理助教 (800元/月)，專業課助教 (350元/月)

 
7.   聯系方式
關于聚變科學研究所的更多情況請關注西南交通大學網站（http://www.swjtu.edu.cn/）、校研究生網站（http://gs.swjtu.edu.cn/）、物理科學與技術學院網站（http://phys.swjtu.edu.cn/index.html）以及國內外相關網站。招生咨詢或聚變等離子體物理專業咨詢，請聯系聚變科學研究所的黃老師（電話：028-87601328，郵箱: [email protected]）。

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