托卡馬克核反應堆:簡述,國外托卡馬克裝置的主要進展,美國TFTR托卡馬克裝置,日本

托卡馬克，是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器。它的名字Tokamak 來源於俄語“環形、真空室、磁、線圈”的詞頭組成。它是由位於蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在 20 世紀 50 年代發明的。托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候，托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場，將其中的電漿加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。

基本介紹

中文名：托卡馬克核反應堆
外文名：Tokamak nuclear reactor
主要釋義：磁約束器
關鍵字：環形、真空室、磁、線圈
歸屬學科：核能
發明時間：20世紀50年代

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簡述

到了上世紀80年代，托卡馬克實驗研究取得了較大突破。1982 年，在德國 ASDEX 裝置上首次發現高約束放電模式。1984 年，歐洲 JET 裝置上電漿電流達到 3.7 MA，並能夠維持數秒。1986 年，美國普林斯頓TFTR利用 16 MW 大功率氘中性束注入，獲得了中心離子溫度 2 億度的電漿，同時產生了 10 k W 的聚變功率，中子產額達到1016cm－3s－1。這些顯著進展，使得人們開始嘗試獲取 D—T 聚變能。1997 年，JET 利用 25 MW 輔助加熱手段，獲得了聚變功率16.1 MW，即聚變能21.7 MJ的世界最高紀錄，由於當時密度太低，能量尚不能得失相當，能量增益因子 Q 小於 1。同年 12月，日本在 JT-60 上利用氘—氘放電實驗，折算到氘—氚反應，能量增益因子 Q 值超過了 1.25，即有正能量輸出。日本JT-60U裝置獲得了最高的聚變反應堆級的電漿參數：峰值離子溫度～45 ke V，電子溫度～10 ke V，電漿密度～1020m－3，標誌聚變電漿綜合參數的聚變三乘積～1.5×1021ke V· s· m－3；聚變能輸出與輸入之比Q值大於1.25。

2022年2月9日，據歐洲核聚變研發創新聯盟（EUROfusion）、英國原子能管理局（UKAEA）和國際熱核聚變實驗堆（ITER）聯合召開新聞發布會稱，歐洲科學家在通過聚變電漿生產能源的道路上取得了重大成功——世界上規模最大的核聚變反應堆歐洲聯合環狀反應堆（JET）中產生了能量輸出為59兆焦耳的穩定電漿。

國外托卡馬克裝置的主要進展

美國TFTR托卡馬克裝置

TFTR 是美國於 1982 年建成並投入運行的大型托卡馬克裝置。該裝置造價 3.14 億美元。TFTR 裝置的主要參數如下：大半徑 3.1 m，小半徑 0.96 m，磁場強度 6 T，總加熱功率 50 MW，電漿電流3 MA。TFTR 的物理目標是探索並理解聚變堆氘氚(D—T)電漿芯部電漿行為特性。就燃料密度、溫度和聚變功率密度而言，芯部D—T電漿性能和預測的D—T聚變堆電漿性能接近，有助於研究與D—T聚變堆電漿芯部相關的電漿輸運、磁流體(MHD)不穩定性和α粒子物理。

日本JT-60裝置

JT-60 是以實現臨界電漿條件(能量增益因子超過 1.0)為目的的大型托卡馬克實驗裝置,與 TFTR、JET 列為世界三大托卡馬克。該裝置1985 年 4 月 8 日運行，共耗資 2300 億日元(約 153 億人民幣)。它的主要目標是：達到臨界電漿條件；確認在此條件下的約束定標律、二級加熱及雜質控制。JT-60在1989—1991年改造成JT-60U，之後圍繞約束性能的改善和穩態運行開展了實驗。其目的是通過改善電漿約束性能，來研究托卡馬克裝置穩態運行。JT-60 為 ITER 的主要物理研究做出貢獻，同時推進和實施對未來聚變堆設計不可缺少的前期科學研究。

歐洲聯合環(JET)

上世紀80年代，歐盟的目標是建造一個用於研究 D—T 燃料聚變物理的大型實驗裝置，並可以通過遙控技術來完成維護和修復工作。於是歐洲聯合環(JET)裝置誕生了。歐洲聯合環(JET)裝置的概念和關鍵的特點大大不同於上世紀 70 年代和 80 年代初期設計的其他大托卡馬克的概念和特點。D 形環向場線圈和真空容器以及大體積強電流電漿是JET裝置獨特之處。

ITER托卡馬克核反應堆計畫

近50年的世界性研究和探索使托卡馬克途徑的熱核聚變研究已基本趨於成熟，但是，在達到商用目標之前，基於托卡馬克的聚變能研究和開發計畫還有一些科學和技術問題需要進一步探索。隨著國際上眾多大中型托卡馬克的巨大進展，為了驗證托卡馬克能夠實現長時間的聚變能輸出，解決聚變堆最重要、最關鍵的工程技術問題以及適應未來高效、緊湊和穩態運行的商業堆的要求，國際熱核聚變實驗堆(ITER)應運而生。

1985 年，前蘇聯領導人戈巴契夫和美國總統里根在日內瓦峰會上倡議，由美、蘇、歐、日共同啟動“國際熱核聚變實驗堆(ITER)”計畫。ITER 計畫的目標是要建造一個可自持燃燒的托卡馬克核聚變實驗堆，以便對未來聚變示範堆及商用聚變堆的物理和工程問題做深入探索。

ITER 計畫將集成當今國際受控磁約束核聚變研究的主要科學和技術成果，第一次在地球上實現能與未來實用聚變堆規模相比擬的受控熱核聚變實驗堆，解決通向聚變電站的關鍵問題，其目標是全面驗證聚變能源和平利用的科學可行性和工程可行性。更為重要的是，利用在 ITER 取得的研究成果和經驗，將有助於建造一個用聚變發電的示範反應堆，示範堆的順利運行將有可能使核聚變能商業化，因此 ITER 計畫是人類研究和利用聚變能的一個重要轉折，是人類受控熱核聚變研究走向實用的關鍵一步。

參加 ITER 計畫的七方總人口大約占世界的一半以上，並幾乎囊括了所有的核大國。ITER計畫是一次人類共同的科學探險。各國共同出資參與 ITER 計畫，不僅是共同承擔風險，而且集中了全球頂尖科學家的智慧，同時在政治上體現了各國在開發未來能源上的堅定立場，使其成為一個大的國際科學工程。因此 ITER 計畫絕對不僅僅是各國共同出資建一個裝置的事情，它的成功實施具有重大的政治意義和深遠的戰略意義。各參與方通過參加ITER 計畫，承擔製造ITER 裝置部件，可同時享受 ITER 計畫所有的智慧財產權，在為 ITER 計畫做出相應貢獻的同時，並有可能在合作過程中全面掌握聚變實驗堆的技術，達到其參加 ITER 計畫總的目的。各國尤其是包括中國在內的參與方中的開發中國家，通過派出科學家到 ITER 工作，可以學到包括大型科研的組織管理等很多有益的經驗，並有可能用比較短的時間使得所在國聚變研究的整體知識水平、技術能力得到一個大的提高，從而拉近與其他先進國家的距離。同時，再配合獨自進行的必要的基礎研究、聚變反應堆材料研究、聚變堆某些必要技術的研究等，則有可能在較短時間內，用較小投資使所在國的核聚變能源研究在整體上進入世界前沿，為各國自主開展核聚變示範電站的研發奠定基礎，確保 20 或 30 年後，擁有獨立的設計、建造聚變示範堆的技術力量和獨立的聚變工業發展體系，聚變研究能力和水平與先進國家不相上下。這也是各參與方參加 ITER 計畫的最主要目標之一。

ITER 的總體科學目標是：以穩態為最終目標，證明受控點火和氘—氚電漿的持續燃燒；在核聚變綜合系統中驗證反應堆相關的重要技術；對聚變能和平利用所需要的高熱通量和核輻照部件進行綜合試驗。ITER 計畫分三個階段進行：第一階段為實驗堆建設階段，從 2007 年到 2021 年；第二階段為熱核聚變運行實驗階段，持續20年，其間將驗證核聚變燃料的性能、實驗堆所使用材料的可靠性、核聚變堆的可開發性等，為大規模商業開發聚變能進行科學和技術認證；第三階段為實驗堆退役階段，歷時5年。ITER 具體的科學計畫是：在為期十年的第一階段，通過感應驅動獲得聚變功率 500 MW、Q 大於 10、脈衝時間 500 s 的燃燒電漿；第二階段，通過非感應驅動電漿電流，產生聚變功率大於350 MW、Q大於5、燃燒時間持續3000 s的電漿，研究燃燒電漿的穩態運行，這種高性能的“先進燃燒離子體”是建造托卡馬克型商用聚變堆所必需的。如果約束條件允許，將探索Q大於30的穩態臨界點火的燃燒電漿(不排除點火)。ITER 計畫科學目標的實現將為商用聚變堆的建造奠定可靠的科學和工程技術基礎。ITER 計畫的另一重要目標是通過建立和維持氘—氚燃燒電漿，檢驗和實現各種聚變工程技術的集成，並進一步研究和發展能直接用於商用聚變堆的相關技術。

中國托卡馬克研究的主要進展

我國核聚變能研究開始於上世紀 60 年代初，儘管經歷了長時間非常困難的環境，但始終能堅持穩定、漸進的發展，建成了兩個開發中國家最大的、理工結合的大型現代化專業研究院所，即核工業集團公司所屬的核工業西南物理研究院及中國科學院所屬的電漿物理研究所。為了培養專業人才，還在中國科學技術大學、華中科技大學、大連理工大學、清華大學等高等院校設立了核聚變及電漿物理專業或研究室。中國核聚變研究從一開始，即便規模很小時，就以在我國實現受控熱核聚變能為主要目標。

從70年代開始，集中選擇了托卡馬克為主要研究途徑，先後建成並運行了小型裝置 CT-6(中國科學院物理研究所)、KT-5(中國科學技術大學)、HT-6B(中國科學院電漿物理研究所)、HL-1(核工業西南物理研究院)、HT-6M(中國科學院電漿物理研究所)。在這些裝置的成功研製過程中，組建並鍛鍊了一批聚變工程隊伍。中國科學家在這些托卡馬克裝置上開展了一系列重要研究工作。自上世紀90年代以來，我國開展了中型托卡馬克發展計畫，探索先進托卡馬克經濟運行模式和托卡馬克穩態運行等問題。1994年，核工業西南物理研究院建成了HL-1M裝置，用反饋控制取代了原來的厚銅殼，進行了彈丸注入和高功率輔助加熱以及高功率非感應電流驅動下的電漿研究。HL-1M裝置綜合性能指標達到了國際同類型同規模裝置的先進水平，其實驗研究數據列入ITER 實驗資料庫。中國科學院電漿物理研究所同時建成並運行了世界上超導裝置中第二大的HT-7 裝置，在圍繞長脈衝和穩態電漿物理實驗方面做了大量的工作，已經獲得400 s、1000萬度電漿。2002年，核工業西南物理研究院在ASDEX 裝置基礎上，建成了 HL-2A 常規磁體托卡馬克，開始一系列物理實驗並取得豐碩的科研成果。

我國高校的磁約束核聚變研究已經有近半個世紀的歷史。隨著我國開始談判加入 ITER 計畫，高校的磁約束核聚變電漿物理研究開始陸續恢復和發展，最有代表性的是中國科學技術大學和華中科技大學。中國科學技術大學是我國最早開展電漿物理本科教育的大學，有近30年教學和研究歷史，為國內外聚變研究機構培養了大批人才。華中科技大學通過國際合作，於2008 年完成了 TEXT-U 托卡馬克裝置(現更名為 J-TEXT)的重建工作。

中國科學技術大學是承擔的 ITER 計畫專項國內研究最重要的高校之一，承擔了“托卡馬克電漿基本理論與數值模擬研究”、“托卡馬克電漿診斷技術研究”、“反場箍縮磁約束聚變位形研究”、“聚變堆燃燒電漿診斷關鍵技術研究”等項目。中國科學技術大學在國家磁約束聚變能源專項的支持下，正在設計建造科大反場箍縮(KTX)裝置，其主要的科學目標之一就是從實驗上進一步檢驗這個磁約束電漿演化的新理論。KTX 設計目標為：半徑比 3.625(R/r=1.45 m/0.4 m)，最大電漿電流 1MA，無反饋時放電時間 10—30 ms，主動反饋控制時間100 ms。

J-TEXT 托卡馬克是華中科技大學引進德克薩斯大學(奧斯丁)的聚變實驗裝置 TEXT-U 建造的。從2003年開始在國內恢復重建工作，到2007年9月實現了第一次電漿放電。該裝置具有偏濾器位形和電子迴旋共振加熱系統，運行區間從歐姆加熱模式、低約束模式和限制器下高約束模式擴展到了偏濾器運行模式、射頻加熱下的高約束模式等。該裝置的主要參數為：大環半徑105 cm，電漿截面半徑 30 cm，環向場磁感應強度3.0 T，環向電漿電流300 k A。

我國磁約束聚變理論和模擬的研究和國際領先水平還有一定的差距。近年來在國家磁約束聚變能源發展計畫的大力支持下，我們在一些領域已經趕上或者超過國際領先水平。

托卡馬克核反應堆