托卡馬克

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 來源於環形、真空室、磁、線圈。最初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。

截至2023年，托卡馬克裝置是實現可控核聚變占據主流的方式。

基本介紹

• 中文名：托卡馬克
• 外文名：Tokamak
• 技術類別：可控核聚變裝置
• 約束類型：磁約束
• 相似技術產物：仿星器
• 競爭技術：慣性約束可控核聚變

裝置的主要部件和子系統

托卡馬克(Tokamak)是一環形裝置，通過約束電磁波驅動，創造氘、氚實現聚變的環境和超高溫，並實現人類對聚變反應的控制。它的名字Tokamak來源於環形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、線圈(kotushka)。最初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。

受控熱核聚變在常規托卡馬克裝置上已經實現。但常規托卡馬克裝置體積龐大、效率低，突破難度大。上世紀末，科學家們把新興的超導技術用於托卡馬克裝置，使基礎理論研究和系統運行參數得到很大提高。據科學家估計，可控熱核聚變的演示性的聚變堆將於2025年實現，商用聚變堆將於2040年建成。商用堆建成之前，中國科學家還設計把超導托卡馬克裝置作為中子源，用於環境保護、科學研究及其它途徑。這一構想獲得國內外專家較高評價。

包括磁體（環向場磁體及極向場磁體）、真空室及其抽氣系統、供電系統、控制系統（裝置控制和電漿控制）、加熱與電流驅動系統（中性束和微波）、噴氣及彈丸注入系統、偏濾器及孔闌、診斷和數據採集與處理系統、包層系統、氚系統、輻射防護系統、遙控操作與維修系統等部件（子系統）。雖然強磁場能提高約束性能，但受工程技術和材料限制，環向磁場一般為2~8T；為了獲取穩定的核聚變能輸出，托卡馬克聚變堆最終要採用超導磁體（穩態運行要求），為此要增加杜瓦、冷屏和低溫製冷系統。為將電漿加熱至需要的溫度，大型裝置的總加熱功率為幾十兆瓦，國際熱核實驗堆裝置的加熱功率為73~130MW。

核聚變簡介

核聚變（nuclear fusion），又稱核融合、融合反應或聚變反應[1]核是指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），只有在極高的溫度和壓力下才能讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核（如氦），中子雖然質量比較大，但是由於中子不帶電，因此也能夠在這個碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來，大量電子和中子的釋放所表現出來的就是巨大的能量釋放。這是一種核反應的形式。原子核中蘊藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。核聚變是核裂變相反的核反應形式。科學家正在努力研究可控核聚變，核聚變可能成為未來的能量來源。

核聚變的過程與核裂變相反，是幾個原子核聚合成一個原子核的過程。只有較輕的原子核才能發生核聚變，比如氫的同位素氘（dāo）、氚（chuān）等。核聚變也會放出巨大的能量，而且比核裂變放出的能量更大。太陽內部連續進行著氫聚變成氦過程，它的光和熱就是由核聚變產生的。

相比核裂變，核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環境問題，而且其原料可直接取自海水中的氘，來源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。 人類已經可以實現不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規模，實現持續、平穩的能量輸出。科學家正努力研究如何控制核聚變。

結構原理

在托卡馬克裝置中，歐姆線圈的電流變化提供產生、建立和維持電漿電流所需要的伏秒數（變壓器原理）；極向場線圈產生的極向磁場控制電漿截面形狀和位置平衡；環向場線圈產生的環向磁場保證電漿的巨觀整體穩定性；環向磁場與電漿電流產生的極向磁場一起構成磁力線旋轉變換的和磁面結構嵌套的磁場位形來約束電漿。同時，電漿電流還對自身進行歐姆加熱。電漿的截面形狀可以是圓形，也可以與偏濾器（位於真空室內部的邊緣區域，通過產生磁分界面將約束區與邊緣區隔離開來，具有排熱、控制雜質和排除氦灰等功能的特殊部件）位形結合設計成D形。在托卡馬克裝置上，已可通過大功率中性束注入加熱和微波加熱使電漿達到和超過氘一氚有效燃燒所需的溫度(>10K)，最高已達4.4×10K。加大裝置尺寸，約束時間大致按尺寸的平方增大。此外，還可通過提高環向磁場、最佳化約束位形和運行模式來提高

能量約束時間。實驗結果表明，托卡馬克裝置已基本滿足建立核聚變反應堆的要求。

各國概況

相比其他方式的受控核聚變，托卡馬克擁有不少優勢。1968年8月在蘇聯新西伯利亞召開的第三屆電漿物理和受控核聚變研究國際會議上，阿齊莫維齊宣布在蘇聯的T-3托卡馬克上實現了電子溫度1keV，質子溫度0.5keV，nτ=10的18次方m-3.s，這是受控核聚變研究的重大突破，在國際上掀起了一股托卡馬克的熱潮，各國相繼建造或改建了一批大型托卡馬克裝置。其中比較著名的有：美國普林斯頓大學由仿星器-C改建成的ST Tokamak，美國橡樹嶺國家實驗室的奧爾馬克，法國馮克奈-奧-羅茲研究所的TFR Tokamak，英國卡拉姆實驗室的克利奧（Cleo），西德馬克斯-普朗克研究所的Pulsator Tokamak。

高1米4，半徑0.785米

2006年9月28日，中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設計、自主建造而成的新一代熱核聚變裝置EAST首次成功完成放電實驗，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫電漿放電。EAST成為世界上第一個建成並真正運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置。

歷史發展

二戰末期，前蘇聯和美、英各國曾出於軍事上的考慮，一直在互相保密的情況下開展對核聚變的研究。幾千萬、幾億攝氏度高溫的聚變物質裝在什麼容器里一直是困擾人們的難題。二十世紀五十年代初期，前蘇聯科學家提出托卡馬克的概念。托卡馬克（TOKAMAK）在俄語中是由“環形”、“真空”、“磁”、“線圈”幾個詞組合而成，這是一種形如麵包（多納）圈的環流器，依靠電漿電流和環形線圈產生的強磁場，將極高溫等離子狀態的聚變物質約束在環形容器里，以此來實現聚變反應。

托卡馬克內部

1954年，第一個托卡馬克裝置在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所建成。當人們提出這種磁約束的概念後，磁約束核聚變研究在一些方面的進展順利，氫彈又迅速試驗成功，這曾使不少國家的核科學家一度對受控核聚變抱有過分樂觀的態度。但人們很快發現，約束電漿的磁場，雖然不怕高溫，卻很不穩定。另外，電漿在加熱過程中能量也不斷損失。

1985年，美國里根總統和前蘇聯戈巴契夫總統，在一次首腦會議上倡議開展一個核聚變研究的國際合作計畫，要求“在核聚變能方面進行最廣泛的切實可行的國際合作”。後來戈巴契夫、里根和法國總統密特朗又進行了幾次高層會晤，支持在國際原子能機構（IAEA）主持下，進行國際熱核實驗堆（ITER）概念設計和輔助研究開發方面的合作。這是當時也是當前開展核聚變研究的最重大的國際科學和技術合作工程項目。1987年春，IAEA總幹事邀請歐共體、日本、美國和加拿大、前蘇聯的代表在維也納開會，討論加強核聚變研究的國際合作問題，並達成了協定，四方合作設計建造國際熱核實驗堆。

1990年，中國國家科學院等離子所興建大型超導托卡馬克裝置，得到俄、美、歐盟等機構、專家大力的支持。特別是俄羅斯科學家，世界聚變研究最具權威的俄羅斯國家研究中心卡多姆采夫教授，成為裝置建設的“經常性技術指導”。

1993年HT－7建成，中國成為世界上俄、法、日（法國的Tore－Supra，俄羅斯的T-15，日本的JT-60U）之後第四個擁有同類大型裝置的國家。中國在裝置相關的超導、低溫製冷、強磁場等研究都登上新的台階。

1993年12月9日和10日，美國在TFTR裝置上使用氘、氚各50%的混合燃料，使溫度達到3億至4億攝氏度，兩次實驗釋放的聚變能分別為0.3萬千瓦和0.56萬千瓦，大約為JET輸出功率的2倍和4倍，能量增益因子Q值達0.28。與JET相比，Q值又得到很大提高。

1997年9月22日，聯合歐洲環JET又創造輸出功率為1.29萬千瓦的世界紀錄，能量增益因子Q值達0.60，持續時間2秒。僅過了39天，輸出功率又提高到1.61萬千瓦，Q值達到0.65。

1997年12月，日本方面宣布，在JT－60上成功進行了氘－氘反應實驗，換算到氘－氚反應，Q值可以達到1.00。後來，Q值又超過了1.25。在JT－60U上，還達到了更高的等效能量增益因子，大於1.3,它也是從氘－氘實驗得出的結果外推後算出的。

2000年，HT－7實驗放電時間超過10秒，標誌中國在這重大基礎理論研究領域中進入世界先進行列。

2002年1月28日，在中國成都的核工業西南物理研究院與合肥西郊的中國科學院電漿物理研究，基於超導托卡馬克裝置HT－7的可控熱核聚變研究再獲突破，實現了放電脈衝長度大於100倍能量約束時間、電子溫度2000萬攝氏度的高約束穩態運行，中心密度大於每立方米1.2×1019，運行參數居世界前兩位。本輪實驗有來自美、日等14個研究機構的18位外籍專家參與。

2006年，中國新一代“人造太陽”實驗裝置（EAST）實現了第一次“點火”——激發等離子態與核聚變。很快，它就實現了最高連續1000秒的運行，這在當時是前所未有的成就。

EAST

2012年04月22日，中國新一代“人造太陽”實驗裝置（EAST）中性束注入系統（NBI）完成了氫離子束功率3兆瓦、脈衝寬度500毫秒的高能量離子束引出實驗。本輪實驗獲得的束能量和功率創下中國國內紀錄，並基本達到EAST項目設計目標。這標誌著中國自行研製的具有國際先進水平的中性束注入系統基本克服所有重大技術難關。

2020年12月4日，中核集團核工業西南物理研究院自主設計、建造的新一代“人造太陽”裝置（HL-2M）建成並實現了首次放電。

2022年10月19日，中國新一代“人造太陽”裝置（HL-2M）電漿電流突破100萬安培（1兆安），創造了中國可控核聚變裝置運行新紀錄，標誌著中國核聚變研發距離聚變點火邁進重要一步，躋身國際第一方陣，技術水平居國際前列。

截至2023年，托卡馬克裝置是實現可控核聚變占據主流的方式，主要利用氫的同位素氘—氚作為聚變燃料。

現狀及前景

只有同時達到密度（>10cm）、溫度（>10K）及能量約束時間（>1s）三個條件（或聚變三重積>10cm·K·s）時，才能實現氘一氚自持核聚變反應。這三個條件已經在不同的裝置上分別達到或超過，但還沒有在一個裝置上同時達到或超過。JET（見圖）和JT-60U裝置基本達到能量得失相當條件（Q≈1），JET的氘一氚實驗還得到17MW聚變功率輸出。

歐洲聯合環JET裝置結構簡圖

實驗研究還發現多種改善約束的模式，根據這些模式，托卡馬克型核聚變反應堆的經濟性能還可以進一步提高。基於50多年來在電漿理論、物理實驗研究和工程技術上取得的重大進展，由七方共同參與的超大型國際合作項目國際熱核實驗堆（ITER）計畫已經進入工程建造階段。

鋼鐵俠中的“方舟反應堆”

電影《鋼鐵俠》中的方舟反應堆與托卡馬克極為相似，有可能是根據托卡馬克改編的。