TFR托卡馬克裝置

TFR托卡馬克裝置是受控核聚變研究的主要實驗裝置。托卡馬克裝置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：TFR托卡馬克裝置
• 外文名：Tokamak fusion reactor
• 釋義：利用磁約束來實現受控核聚變的容器
• 性狀：環形

簡介

TFR托卡馬克裝置，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。

原理

TFR托卡馬克裝置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。托卡馬克裝置的基本原理見圖。

托卡馬克原理示意圖

研究進展

自上世紀50年代托卡馬克在前蘇聯的Kurchatov研究所誕生以來，經過近50年的不斷發展，托卡馬克聚變裝置上獲得了聚變功率輸出，使用磁約束的方式獲得聚變能源輸出的科學可行性得到了證實。托卡馬克裝置聚變功率的獲得，激發了全世界合作開展更大裝置規模的托卡馬克合作建造和實驗的勇氣，並因此促進了國際熱核聚變實驗堆（ITER）的建造。

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3.7MA，並能夠維持數秒。1986年，美國普林斯頓的TFTR利用16MW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10kW的聚變功率，其中子產額達到10cms。

進入1990年代，國際受控核聚變研究取得了突破性的進展。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25MW輔助加熱手段，獲得了聚變功率16.1MW，即聚變能21.7MJ的世界最高紀錄。

國外大裝置的主要進展與貢獻

1968年8月，前蘇聯的環形磁約束裝置T-3托卡馬克(Tokamak)取得了突破性的進展，獲得了令人震驚的實驗數據。世界各國受其鼓舞，掀起了托卡馬克裝置的研究熱潮，托卡馬克裝置成為受控核聚變研究的主要實驗裝置。迄今為止，各國先後建立了上百個托卡馬克裝置。其中，裝置規模較大、運行參數較高的托卡馬克裝置以及科研機構主要有以下幾個：

歐洲及JET

JET(Joint European Torus，歐洲聯合環)是目前世界上已建成的托卡馬克裝置中尺寸最大的裝置之一，是由歐洲原子能委員會於1982年建造在英國的卡拉姆實驗室。“JET”試驗裝置在試驗中，已使臨界電漿的3個條件，即溫度達到1億攝氏度以上、磁場約束時間是0.6秒、1立方厘米的中子數密度為25萬億個。JET裝置於1991年獲得了聚變功率輸出的裝置，它也是世界上第一個獲得聚變功率輸出的裝置。值得強調的是，在歐洲聚變研究協定的協調下，歐洲還有很多先進的托卡馬克實驗裝置，例如建造在德國的ASDEX-U、義大利的FTU、英國的MAST等，還有一些其它概念的磁約束實驗裝置。

美國的托卡馬克裝置TFTR和DⅢ-D

美國是世界上聚變研究最活躍的國家之一，其建造在普林斯頓大學電漿物理實驗室的TFTR(Tokamak fusion test reactor)也是一個規模較大的托卡馬克裝置。該裝置緊隨JET獲得了聚變功率輸出，該裝置獲得聚變功率的輸出後既關閉。隨後美國在其通用原子能公司(GeneralAtomic,GA)的一個裝置尺寸較小、但更靈活的裝置DⅢ-D(DoubletIII-Di)上開展了更多的先進托卡馬克裝置實驗研究，DIII-D位於SanDiego，它雖然不能獲得聚變功率的輸出，但它是世界上最早使用D形截面約束的托卡馬克裝置，可以在中等磁場強度的情況下提高電漿電流和β值，因此它可以提高研究聚變商用堆的經濟性。

日本的托卡馬克裝置JT-60

日本是世界上探索先進能源途徑十分積極活躍的國家，日本在聚變方面的成就以及它早期不遺餘力的裝置設計成就大力推進了ITER的建造。JT-60由日本原子力研究所建造。JT-60是世界上最早使用水平偏濾器的裝置，但後期的實驗發現這種裝置難以獲得電漿的高約束模式，於是將水平偏濾器更改為垂直偏濾器，同時裝置升級為JT-60U。JT-60U具有國際最先進的加熱和電流驅動裝備及診斷設備。JT-60裝置的“高頻加熱”裝置是通過電磁波加熱電漿的，通過這種方法已經突破了在短時間內連續運轉的難關。JT-60U使用氘作為燃料，獲得了聚變功率的輸出，折算到氘-氚聚變，其聚變功率輸出的增益達到1.3，至今仍然保持著這個記錄。此外，JAERI還建造了JFT系列的小型托卡馬克裝置。日本另外一個大的聚變研究機構是日本核融合研究所，在磁約束研究方面，NIFS的螺旋裝置（仿星器）得到了大力發展並處於世界前沿。磁約束聚變研究的概念在日本東京大學、九州大學等也等得到推進，並分別建造了相應的科研裝置。和歐洲一起，日本早期大力推進了ITER的聯合建造，在ITER開展建造的背景下，日本又獲得了在其國土上建造ITER的遠程參與控制、數據分析中心的項目。目前日本又和歐洲聯合建造一個更先進的面向聚變演示堆（DEMO）的裝置：JT-60SA。

俄羅斯的托卡馬克裝置

原來俄羅斯（前蘇聯）具有世界一流的磁約束建造和研究水平，在前蘇聯誕生了世界第一個托卡馬克裝置、第一個現代改進約束的托卡馬克裝置T-3、第一個超導的托卡馬克裝置T-7，第一批大的超導的托卡馬克裝置T-15等。ITER最早期的概念，也是1985年由蘇聯首腦和美國首腦最先倡導。蘇聯解體後，俄羅斯、歐洲和日本是最積極推進ITER建造的成員之一。