西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院等離子體物理專業(yè)簡介及招生信息 正文

1.   發(fā)展歷程
西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院等離子體物理專業(yè)依托于聚變科學(xué)研究所，致力于磁約束聚變（人造太陽）相關(guān)的物理研究，以期最終解決人類的能源問題。聚變科學(xué)研究所成立于2014年9月，目前擁有6名畢業(yè)于知名大學(xué)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(xué)研究所（National Institute Fusion Science, NIFS）合作共建中國第一臺準(zhǔn)環(huán)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(jìn)的仿星器裝置，這將有利于探索磁約束聚變的先進(jìn)位形，推進(jìn)國際磁約束聚變研究的進(jìn)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(fā)展的永恒課題！隨著經(jīng)濟、社會的發(fā)展，人類對能源的需求越來越大，但現(xiàn)有的能源體系中，主要以傳統(tǒng)的煤、石油、天然氣等是不可再生能源為主。這些能源都對環(huán)境有巨大的污染，并且在未來100-200年內(nèi)將消耗殆盡；水能、風(fēng)能、太陽能等雖是可再生能源，但它們非常受限于地域和環(huán)境，且發(fā)電量有限；核裂變能也存在著嚴(yán)重的環(huán)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(fā)展？通過對各種能源的研究和比較，科學(xué)家一致認(rèn)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(dāng)兩個輕核克服庫侖力聚合成一個較重的核，會發(fā)生質(zhì)量虧損，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系E = m0c2，這將釋放出巨大的能量，這就是核聚變（nuclearfusion）反應(yīng)，見圖1。研究發(fā)現(xiàn)，單位質(zhì)量的氘核聚變反應(yīng)釋放的能量是單位質(zhì)量的鈾核裂變反應(yīng)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(yīng)。人類在上個世紀(jì)50年代就實現(xiàn)了核聚變反應(yīng)——氫彈，但氫彈是不受控的核聚變反應(yīng)，若要把核聚變反應(yīng)釋放的巨大能量利用起來，就必須實現(xiàn)受控核聚變。實現(xiàn)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(xiàn)受控聚變的方式主要是后兩種。 
氘氚聚變反應(yīng)要求粒子達(dá)到1億度的高溫，在如此高的溫度下，粒子已經(jīng)被完全電離成等離子體（plasma）狀態(tài)。等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)，在宇宙中99%的可見物質(zhì)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(xiàn)受控聚變。實現(xiàn)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(huán)向磁場線圈（二維平面線圈）產(chǎn)生的環(huán)向磁場和環(huán)形等離子體電流產(chǎn)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(jié)構(gòu)的磁場線圈產(chǎn)生。因此仿星器的位形遠(yuǎn)比托卡馬克復(fù)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(yōu)點。等離子體的大破裂是托卡馬克面臨的最嚴(yán)重問題，這制約了托卡馬克的發(fā)展。所以，當(dāng)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(xué)院等離子體物理研究所的EAST，核工業(yè)西南物理研究院的HL-2A，華中科技大學(xué)的J-TEXT，清華大學(xué)的SUNIST，還有一臺位于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的反場箍縮裝置KTX。在上個世紀(jì)70年代，核工業(yè)西南物理研究院曾探索過仿星器裝置，但由于仿星器的復(fù)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(yōu)良的磁約束聚變裝置，跟托卡馬克相比，有許多優(yōu)點。2015年德國W7-X仿星器點火成功，并在隨后的放電中實現(xiàn)了長達(dá)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(shè)計方案也被公認(rèn)為是未來核電站聚變反應(yīng)堆的發(fā)展方向之一。

仿星器從發(fā)展到現(xiàn)在，共經(jīng)歷了三代，其中W7-X和LHD屬于第二代，而第三代仿星器，即準(zhǔn)環(huán)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(xué)聚變科學(xué)研究所與日本國家核融合科學(xué)研究所（世界上首屈一指的仿星器研究機構(gòu)）合作共建中國第一臺準(zhǔn)環(huán)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(jìn)的仿星器裝置，這將有利于推進(jìn)國際磁約束聚變研究的進(jìn)展。
目前，CFQS仿星器已完成物理設(shè)計，CFQS的工程設(shè)計正緊鑼密鼓的開展，預(yù)計在2021年實現(xiàn)等離子體放電。
3.   研究方向
依托正在建造的中國第一臺準(zhǔn)環(huán)對稱仿星器CFQS，聚變科學(xué)研究所開展了聚變等離子體物理理論、聚變科學(xué)實驗和聚變工程等研究方向。具體研究內(nèi)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(wěn)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(shè)計和優(yōu)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(jìn)一步指導(dǎo)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(yōu)點，但理論模擬研究結(jié)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(wěn)定性、波與等離子體相互作用等具體內(nèi)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(shù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)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(jié)果真實可靠。由于磁約束聚變等離子體物理的復(fù)雜性，磁約束聚變研究一般是實驗發(fā)現(xiàn)推動理論模擬的發(fā)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(wěn)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(nèi)容。
(3)  聚變工程
該研究方向從事聚變裝置的物理和工程設(shè)計，并通過多種方法來優(yōu)化裝置的物理和工程設(shè)計，保證裝置物理性能的優(yōu)異性、工程的可執(zhí)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(shè)計、磁場線圈設(shè)計、真空室及窗口設(shè)計、裝置支撐設(shè)計等具體內(nèi)容，見圖5。

4.   招生、培養(yǎng)及就業(yè)情況
聚變科學(xué)研究所面向全國高等院校招收物理、電氣、電子、材料等相關(guān)理工科專業(yè)的本科畢業(yè)生，歡迎推免或第一志愿報考本專業(yè)。
聚變科學(xué)研究所目前擁有2000多萬元的科研經(jīng)費，承擔(dān)多項國家自然科學(xué)基金項目，參與多項國家重點研發(fā)計劃項目。此外，研究所還正在申請國家自然科學(xué)基金重點國際（地區(qū)）合作研究項目和多項國家重點研發(fā)計劃項目。研究所同國內(nèi)外眾多科研院校保持著良好的合作關(guān)系，包括中國科學(xué)院等離子體物理研究所、核工業(yè)西南物理研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、四川大學(xué)、大連理工大學(xué)等，以及日本國家核融合科學(xué)研究所、德國的Jülich聚變研究所、日本的京都大學(xué)和美國的普林斯頓大學(xué)等。
研究所科研經(jīng)費充足，學(xué)術(shù)氛圍活躍，國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)交流頻繁，擁有很多與國內(nèi)外知名專家學(xué)習(xí)和交流的機會，并且有許多與國內(nèi)、國際相關(guān)合作院校聯(lián)合培養(yǎng)的機會。研究所現(xiàn)在正與日本的NIFS合作建設(shè)中國第一臺準(zhǔn)環(huán)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(fā)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(fā)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(xué)們報考等離子體物理專業(yè)，讓我們齊心協(xié)力，建成中國第一臺準(zhǔn)環(huán)對稱仿星器，為祖國的聚變事業(yè)及人類的聚變事業(yè)奉獻(xiàn)我們的聰明才智！
聚變科學(xué)研究所擁有良好的學(xué)術(shù)氛圍、豐富的師資和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕逃w系，報考我所的研究生經(jīng)過碩士和博士階段的學(xué)習(xí)，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(yè)代碼及研究方向	招生人數(shù)	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(shù)學(xué)   ④普通物理學(xué)

 
6.   研究生學(xué)費、獎學(xué)金、基金情況簡介

1.     學(xué)業(yè)獎學(xué)金：每年評一次，覆蓋率85%，其中一等獎?wù)?5%(免交學(xué)費)，二等獎?wù)?0%(免60%學(xué)費)，三等獎?wù)?nbsp;40% (免30%學(xué)費)。(學(xué)費:每年0.8萬元)

2.   國家研究生助學(xué)金： 每人18000元(3年總計)，覆蓋率100%

3.   國家獎學(xué)金： 2萬元(每年 4-5 人)

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

5.   專項獎學(xué)金： 竢實揚華獎學(xué)金、   唐立新獎學(xué)金等

6.   其他獎助學(xué)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(xué)還將獲得項目津貼。另外，研究生還可以申請大學(xué)物理助教 (800元/月)，專業(yè)課助教 (350元/月)

 
7.   聯(lián)系方式
關(guān)于聚變科學(xué)研究所的更多情況請關(guān)注西南交通大學(xué)網(wǎng)站（http://www.swjtu.edu.cn/）、校研究生網(wǎng)站（http://gs.swjtu.edu.cn/）、物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院網(wǎng)站（http://phys.swjtu.edu.cn/index.html）以及國內(nèi)外相關(guān)網(wǎng)站。招生咨詢或聚變等離子體物理專業(yè)咨詢，請聯(lián)系聚變科學(xué)研究所的黃老師（電話：028-87601328，郵箱: jiehuang@swjtu.edu.cn）。

西南交通大學(xué)

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