托卡马克与仿星器

挑战

如前所述，在地球上重现核聚变面临诸多挑战：

制造热核等离子体。地球上不具备太阳的物理条件，因此仅是制造等离子体本身就是一项艰巨任务。地球的引力常数远小于太阳，压力也因此小得多。所以，如前所述，需要更高的温度——大约 1 亿至 2 亿摄氏度——才能使粒子获得足够的运动。这一步只能在超高真空腔室中实现，在那里没有杂质，从而防止等离子体被污染和冷却。

等离子体必须被加热并被约束足够长的时间。要使聚变运行有朝一日成为发电站，就必须在经济上可行。为此，聚变产生的能量必须显著超过用于加热等离子体所消耗的能量。

也就是说，归根结底，所有这些因素都依赖于某种等离子体约束方式。必须使其保持稳定、高温，并与器壁隔离，持续足够长的时间，让聚变得以发生并产生比所消耗更多的能量。

如何约束等离子体

目前，主要有两条研究路径用于解决这一问题：

磁约束聚变（MCF）：利用强磁场在等离子体周围形成一个“隐形的笼子”。等离子体中的带电粒子与磁场相互作用，沿磁力线做螺旋运动，不接触器壁。这是托卡马克和仿星器的方法，也是本页的重点。

惯性约束聚变（ICF）：等离子体被激光迅速压缩并加热，使聚变所需的压力和温度条件在燃料解体之前就被达到。这是美国 NIF（国家点火装置）所采用的方法，该实验室于 2022 年 12 月首次实现了科学性能量净增益——产生的聚变能量超过了输送到靶上的激光能量。此类约束方式将在另一页面中介绍。

磁约束

等离子体是一种电离气体，也就是说其粒子带有电荷。因此，由于这一特性，粒子会对磁场产生反应。

当在等离子体周围施加强磁场时，粒子开始有序运动，沿磁力线做螺旋运动。正是这种螺旋（弹簧形）运动阻止它们逃逸到反应堆器壁上。

挑战在于让这些磁力线闭合，避免出现“端点”让粒子从中逃逸。解决方案是把磁场弯成环形：一个闭合的环，呈甜甜圈状。但仅仅是一个简单的环还不够。在环的内侧，线圈彼此更靠近，磁场强度高于外侧——而处于不均匀磁场中的粒子会产生漂移。电子和离子向相反方向漂移，使电荷分离并产生一个把等离子体推出环外的电场。

解决方法是让磁力线做螺旋扭转，使每个粒子在环的内侧与外侧之间交替运动。这样漂移相互抵消，等离子体得以维持约束。托卡马克正是为了产生这种螺旋磁场而设计的。

什么是托卡马克及其工作原理

"托卡马克"一词来自俄语缩写 "toroidalnaya kamera s magnitnymi katushkami"，意为"带有磁线圈的环形腔室"。这个名称本身已经概括了其工作原理。

托卡马克是一种实验性磁约束反应堆：一个环形腔室，其中的磁场使等离子体保持稳定、高温并与腔壁隔离。这得益于其螺旋磁场——由两个磁场叠加而成：环形场（由围绕腔室的外部线圈产生）和极向场（由中心螺线管在等离子体中直接感应的电流产生）。

环形场线圈呈"D"形，而非圆形。在圆形结构中，磁场在环的内侧——线圈间距最小处——最强，并随距离增大而减弱，从而产生不均匀的力。"D"形设计使这些力均匀分布，使线圈保持纯张力状态。

两个磁场的叠加将磁力线扭转成螺旋形。每个粒子在环的内外两侧之间交替运动，漂移相互抵消，等离子体得以持续约束。但约束等离子体只是问题的一半；另一半是提取它所产生的能量。

托卡马克如何发电

在被约束的等离子体内部，氘核和氚核发生碰撞并聚变。每次 D-T 反应产生两种产物：一个阿尔法粒子（氦-4 核，带电）和一个自由中子（不带电）。释放的总能量为 17.6 MeV。如前所述，这种能量以动能的形式表现出来，并以不对称的方式分配：80% 传递给中子，20% 传递给阿尔法粒子。

这种分配决定了托卡马克的整体架构。阿尔法粒子因带电而被磁场约束，留在等离子体内部，将其 3.5 MeV 的能量直接以热量形式传递给等离子体。这种由阿尔法粒子产生的内部加热使得 Burning Plasma 的形成成为可能——在这种状态下，反应变得自持，等离子体自身提供维持聚变所需的大部分热量，从而减少对外部加热的依赖。达到这一状态是使托卡马克成为功能性发电站的关键：若没有自持能力，机器维持等离子体高温所消耗的能量将超过从聚变中提取的能量，能量方程将永远无法成立。

释放的中子不带电，穿过磁场而不与之相互作用，被腔室壁吸收，其动能转化为热能。在未来的聚变发电站中，这种热量将加热水、产生蒸汽、驱动涡轮机，最终发电——其运作方式与传统发电站完全相同，区别在于燃料是氘和氚，副产品是氦。

来源：ITER Organization — What is a Tokamak? · What is Burning Plasma? · FAQs · IAEA — Burning Plasma · DOE — DOE Explains...Burning Plasma · IAEA — Magnetic Fusion Confinement with Tokamaks and Stellarators · EnergyEncyclopedia.com — Tokamak: Main Principles

托卡马克的组成部件

将等离子体约束在1.5亿摄氏度并从中提取有用能量，需要极端精度的工程。位于法国卡达拉舍的ITER是迄今设计过的最大托卡马克，由七个主要系统组成，每个系统都负责创建、维持和保护聚变等离子体的特定任务。

环向场线圈

环向场线圈产生托卡马克的主磁场——赋予等离子体环形形状的磁场。围绕真空室布置了18个 "D" 形线圈，形成一个连续的磁笼。

每个线圈高17米、宽9米、重约360吨，产生约11.8特斯拉的磁场——大约是地球磁场的25万倍。为了在无损耗的情况下承受这种强度，线圈采用铌锡（Nb₃Sn）超导体绕制，在液氦冷却下工作于 –269 °C。

"D" 形而非圆形的设计并非为了美观：它将磁力均匀分布，使每个线圈处于纯拉伸状态，避免在数亿牛顿的应力下变形。

极向场线圈

如果说环向线圈赋予等离子体环形形状，极向场线圈则控制其位置和几何形状。共有6个不同直径的水平环，安装在环向线圈的上方和下方，环绕整个组件。

它们塑造等离子体——上推、下压、压缩或拉长其截面——并使其远离真空室壁，避免直接接触和热损失。没有它们，等离子体会在毫秒内不稳定并撞击壁面。

ITER 的 PF 线圈使用铌钛（Nb-Ti）超导体，比 TF 线圈中的 Nb₃Sn 更简单，足以产生所需的较低磁场。最大的一个直径达24米。

中心螺线管

中心螺线管是托卡马克的磁性支柱——位于机器轴线上的垂直线圈柱。它的功能是直接在等离子体中感应电流，相当于一个巨型变压器的初级，而等离子体本身是次级。

这一感应电流产生等离子体内部的极向场，与外部线圈的环向场结合，形成实际约束粒子的螺旋场。

ITER 的 CS 高18米、直径4.3米、重约1000吨。由6个堆叠模块组成，每个采用Nb₃Sn超导体，产生13特斯拉的磁场——是有史以来最强大的磁性结构之一。

真空室

真空室是等离子体实际存在的环形容器。它被气密密封并保持超高真空（10⁻⁷ Pa）：任何杂质，即使只是一个空气分子，都会立即污染并冷却等离子体。

它也是机器的第一道安全屏障，包容核反应并保护外部环境免受辐射和氚的影响。其双层不锈钢壁内充满水以进行冷却和中子屏蔽。

ITER 的真空室重约5200吨，直径19.4米，高11.4米，并提供44个端口用于诊断、加热系统和远程维护。

包层（Blanket）

包层覆盖真空室的整个内壁。它是面对等离子体的第一个固体表面，承担两项关键任务：吸收聚变反应释放的热量和快中子，以及屏蔽真空室、磁体和机器的其余部分。

回想一下，D-T聚变释放的能量中有80%进入中子——这些能量正是在包层中被转化为热量，在未来的电站中，这些热量将产生蒸汽和电力。在商业反应堆中，包层还将含有锂以增殖聚变消耗的氚，从而闭合燃料循环。

在 ITER 中，包层由440个约4.6吨重的模块组成，第一壁采用铍（更新设计中为钨），能够承受极端热流而不退化。

偏滤器

偏滤器位于真空室底部，是整个托卡马克中热应力最大的部件。它的作用是提取反应的灰烬——D-T聚变产生的氦——以免它在等离子体中积聚、稀释燃料并窒息反应。

它将从等离子体边缘逃逸的粒子引导到特殊的板上，在那里它们被中和并抽出。这些板承受稳态下10 MW/m²，瞬态下高达20 MW/m²——是航天器再入大气层热流的十倍。

在 ITER 中，偏滤器由54个10吨重的不锈钢盒组成，可通过远程控制拆卸。覆盖层为钨，因其在所有金属中具有最高熔点（3422 °C）。

低温恒温器

低温恒温器包围着整个真空室和所有超导磁体。它是有史以来建造的最大不锈钢真空室：16000 m³，直径28米，高近30米，重3850吨。

它的作用是维持超导体运行所需的超低温真空环境。在不到15米的距离内，它将内部的–269 °C与等离子体的+1.5亿摄氏度隔离开来——这是人类有史以来创造的最极端温度梯度之一。

来源：ITER Organization — Magnets · Vacuum Vessel · Blanket · Divertor · Cryostat。