托卡马克

1. 基础概念与目的
   托卡马克是一种利用磁场来约束高温等离子体以实现受控核聚变反应的实验装置。其名称源自俄语“环形磁线圈室”的缩写。核心目标是创造类似于太阳中心的环境，使氢的同位素（如氘和氚）的原子核克服静电排斥力发生聚合，释放巨大能量。这要求将燃料加热到上亿摄氏度的高温，此时物质处于完全电离的等离子体状态。

2. 磁约束原理
   高温等离子体无法用任何实体容器直接盛装。托卡马克的核心解决方案是“磁约束”。其原理是：带电粒子（离子和电子）在磁场中会绕磁力线做螺旋运动，从而被束缚在磁场区域内。托卡马克通过精心设计的磁场，将等离子体约束在一个环形（甜甜圈形状）的真空室中，避免其接触容器壁而导致热量损失和杂质混入。

3. 关键磁场构成
   托卡马克的磁场是一个复杂的组合：

   • 环向场：由环绕环形的外部大线圈产生，是主导的强磁场，使粒子沿环向快速运动。
   • 极向场：由等离子体电流自身（通过感应或非感应方式驱动产生）以及一些垂直场线圈产生。它控制等离子体的截面形状、位置和稳定性。
   • 合成的螺旋形磁场：环向场和极向场的矢量叠加，形成沿环形缠绕的螺旋磁力线。这既能约束粒子，又能通过磁场的旋转变换来平均掉各种可能引起粒子逃逸的不均匀性。

4. 等离子体电流与欧姆加热
   在经典托卡马克中，一个巨大的中央变压器（初级线圈）会感应出环形等离子体电流（可达数百万安培）。这个电流不仅产生必需的极向场，还通过等离子体自身的电阻产生热量（欧姆加热），是初始加热的主要手段。然而，随着温度升高，等离子体电阻急剧下降，需要额外加热方法。

5. 辅助加热与电流驱动
   为实现聚变点火温度，需要外部辅助加热系统：

   • 中性束注入：将高能中性原子束注入等离子体，电离后被磁场捕获，通过碰撞传递能量。
   • 射频波加热：发射特定频率的电磁波（如离子回旋波、电子回旋波、低杂波），与等离子体中的粒子发生共振，使其加速升温。
   • 这些方法（特别是低杂波和电子回旋波）也可用于非感应地驱动和维持等离子体电流，这对于未来连续运行的聚变堆至关重要。

6. 关键物理挑战与性能指标
   托卡马克研究面临几个核心挑战：

   • 能量约束时间：衡量等离子体隔热性能的指标，指等离子体热能流失所需的时间。需要足够长。
   • 三重积：等离子体温度、密度和能量约束时间三者的乘积。超过特定阈值（劳森判据）才能实现净能量增益。
   • 等离子体不稳定性：如扭曲模、撕裂模、边界局域模等，可能导致约束突然变差或终止放电。
   • 杂质控制与排灰：需要排除氦灰（聚变产物）和高原子序数杂质，通常使用偏滤器（磁力线在特定区域引导粒子打到靶板上）来实现。

7. 现代进展与未来展望
   以国际热核聚变实验堆（ITER）为代表的新一代托卡马克正在建设中。ITER的目标是证明聚变能的科学和工程可行性，实现Q值（输出聚变功率/输入加热功率）大于10的“燃烧等离子体”。其设计采用了超导磁体以实现稳态运行、更优化的等离子体位形和更强大的辅助系统。托卡马克是目前最有可能率先实现商用聚变发电的技术路线。