标题：托卡马克
简介
托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。名字来源它的名字 Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初发明者最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所  托卡马克的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。结构及原理托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。优势相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上实现了电子温度 1 keV，质子温度 0.5 keV，nτ=10的18次方m-3.s，这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有：美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的 ST Tokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克，法国冯克奈-奥-罗兹研究所的 TFR Tokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥（Cleo），西德马克斯-普朗克研究所的 Pulsator Tokamak。
2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。  原理示意图[1]  高1米4，半径0.785米[2]
研究历程
成长过程二十世纪后半叶，各种类型的核电站在世界范围内得到了异常迅速的发展。它们的原理都一样，利用铀等大原子量的重元素原子核的裂变，释放出巨大的能量，这就是人们所说的重核裂变，简称核裂变。然而，事实上在元素按原子量大小排列的另一端，小原子量的轻元素氢的原子核的聚合，也会产生巨大的能量。在氢原子核的聚合中，又以它的同位素氘和氚的原子核的聚合最容易实现。它被称为轻核聚变，简称核聚变  托卡马克内部。理想的新能源早在1933年，即发现核裂变现象五年前，人类就发现了核聚变。虽然核裂变比核聚变发现得晚，但是很快就实现了核裂变爆炸。随着受控核裂变发电获得成功，世界范围内大规模核电站建设迅速展开，并投入商业运行。
在核聚变实现后，同样，人们也试图能和平利用受控核聚变，如建立受控核聚变发电厂。与利用核裂变发电相比，利用受控核聚变的能量来发电具有许多优 点：一是理论和实践都证明，核聚变比核裂变释放出的能量要大得多；二是资源蕴藏丰富，作为重核裂变主要原料的燃料铀，目前探明的储量仅够使用约一百年，而 轻核聚变用的燃料氘在海水中储藏丰富，1升海水可提取30毫克氘，通过聚变反应能释放出相当于300公升汽油的能量。可谓取之不尽，用之不竭；三是成本低，1公斤浓缩铀的成本约为1.2万美元，而1公斤氘仅需300美元；四是安全可靠，万一发生事故，反应堆会自动冷却而停止反应，不会产生放射性污染物， 不会发生爆炸事故。
但是，人类发现核裂变半个多世纪过去了，受控核聚变的研究进展缓慢，与受控核裂变的研究情况不同，受控核聚变至今还没有实现可利用的能量输出。对其认识受控核聚变研究举步维艰，根本原因是轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难。原子核之间的吸引力是很大的，但原子核都带正电，又互相排斥， 只有当两个原子核之间的距离非常接近，大约相距只有万亿分之三毫米时，它们的吸引力才大于静电斥力，两个原子核才可能聚合到一起同时放出巨大的能量。因 此，首先必须使聚变物质处于等离子状态，让它们的原子核完全裸露出来。然而，两个带正电的原子核越互相接近，它们之间的静电斥力也越大。只有当带正电的原子核达到足够高的动能时，这需要几千万甚至几亿摄氏度的高温(10^8开尔文），它们的碰撞才有机会使它们非常接近，以致产生聚合。
1933年，人们用加速器使原子核获得所需的动能，在实验室实现了核聚变。可是从这样的核聚变中得到的能量比加速器消耗的能量要小得多，根本无法获 得增益的能量。1952年，美国用原子弹爆炸的方法产生高温，第一次实现了大量氘、氚材料的核聚变。但这种方法的效果是，在极短时间内使核聚变释放出巨大 能量，产生强烈爆炸，即氢弹爆炸。人类要和平利用核聚变，必须是可以控制的聚变过程。核聚变反应比较切实可行的控制办法是，通过控制核聚变燃料的加入速度 及每一次的加入量，使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。因此，核聚变装置中的气体密度要很低，只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一。另 外，对能量的约束要有足够长的时间。
二战末期，前苏联和美、英各国曾出于军事上的考虑，一直在互相保密的情况下开展对核聚变的研究。几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里一 直是困扰人们的难题。二十世纪五十年代初期，前苏联科学家提出托卡马克的概念。托卡马克（ T OKAMAK）在俄语中是由“环形”、“真空”、“磁”、 “线圈”几个词组合而成，这是一种形如面包（多纳）圈的环流器，依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场，将极高温等离子状态的聚变物质约束在环形容器 里，以此来实现聚变反应。
1954年，第一个托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。当人们提出这种磁约束的概念后，磁约束核聚变研究在一些方面的进展顺利，氢弹 又迅速试验成功，这曾使不少国家的核科学家一度对受控核聚变抱有过分乐观的态度。但人们很快发现，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，却很不稳定。另外， 等离子体在加热过程中能量也不断损失。经过了二十多年的努力，远未达到当初的乐观期望，理论上估计的等离子体约束时间与实验结果相差甚远。人们开始认识到 核聚变问题的复杂和研究的艰难。在这种情况下，苏、美等国感到保密不利于研究的进展，只有开展国际学术交流，才能推进核聚变的深入研究。另外，磁约束核聚 变与热核武器在科学技术上没有重大的重叠，而且其商业应用的竞争为时尚早。于是，1958年秋在日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上达成协议，各国互相公开研究计划，并在会上展示了各种核聚变实验装置。自这次会议后，研究重点转向高温等离子体的基础问题，从二十世纪六十年代中到七十年代，各国先后 建成了很多实验装置，核聚变研究进入了一个新的高潮期，人们逐渐了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理，摸索出克服这种不稳定性及能量损失的对策。随着核聚变研究的进展，人们对受控核聚变越来越有信心。有合作有单打在半个多世纪的核聚变研究中，可以说人们对五花八门的设想都进行了原理性探索，最终汇集到大致沿着惯性约束和磁约束两种途径前进，其中，托卡马克类 型的磁约束研究又领先于其它途径，在技术上最成熟，进展也最快。在托卡马克装置上努力提高能量增益因子，即提高输出功率与输入功率之比一直是核聚变研究的 重点目标之一。直到1970年，前苏联在托卡马克装置 T－3上，才有可以察觉到的核聚变能量输出，能量增益因子 Q值为十亿分之一。从二十世纪七十年代 末开始，美、欧、日、苏开始建造四个大型托卡马克，即美国的托卡马克聚变实验反应器TFTR，欧洲建在英国的欧洲联合环 J ET，日本的JT－60 和原苏联的 T－20（后来因经费及技术原因改为较小的 T－15,采用超导磁体），它们是后来在磁约束聚变研究中做出了决定性贡献的四个装置。其中，有 的反应器把能量增益因子 Q值提高到0.2,比十年前增加了两亿倍。
在和平利用核聚变的不懈探索中，理论研究和实验技术上遇到了一个又一个难题，进一步开展广泛国际合作是加速实现核聚变能利用的明智选择。1985 年，美国里根总统和前苏联戈尔巴乔夫总统，在一次首脑会议上倡议开展一个核聚变研究的国际合作计划，要求“在核聚变能方面进行最广泛的切实可行的国际合 作”。后来戈尔巴乔夫、里根和法国总统密特朗又进行了几次高层会晤，支持在国际原子能机构（ I AEA）主持下，进行国际热核实验堆（ I TER）概念设计和辅助研究开发方面的合作。这是当时也是当前开展核聚变研究的最重大的国际科学和技术合作工程项目。1987年春，IAEA总干事邀请欧共体、日 本、美国和加拿大、前苏联的代表在维也纳开会，讨论加强核聚变研究的国际合作问题，并达成了协议，四方合作设计建造国际热核实验堆。
国际热核实验堆是一个基于托卡马克方案的项目，主要目的是实现氘－氚燃料点火并持续燃烧，最终实现氘－氚燃料的稳定燃烧；证明利用核聚变发电是安全 的，也不污染环境；另外也进行核聚变工艺技术一体化实验。由于氘－氚燃料点火的需要，这个实验堆要建得相当大，当时设定的指标是，环形管的大环半径8米， 管的半径3米，估计将产生热功率150万千瓦、等离子体电流达2400万安培，燃烧时间可达16分钟，预计2010年建成，计划投资达80亿美元。未来发 展计划包括一座原型聚变堆，在2025年前投入运行。如果 I TER获得成功，下一个目标是建造一座示范核聚变堆，并在2040年前投入运行。2050 年以后有望开发商用核聚变堆。
在国际原子能机构的支持下，合作四方在1988年－1990年期间完成了国际热核试验堆的概念设计，1991年转入工程设计阶段。国际热核实验堆计划的经费由四方负担，但随着前苏联的解体，合作四方中的苏方由俄罗斯接替，这一计划的进展受到了很大影响。
美、欧、日、俄在参与 I TER工作同时，还安排了自己的核聚变研究。欧共体在进行自己的实验堆 J ET的设计和执行法国 的 T ore－ Supra计划，美国利用大型托卡马克聚变试验反应器 D III－D及TFTR，日本利用JT－60和JT－60U聚变试验反应器， 都深入开展了各自的实验研究。此外，在其他一些国家，如印度、巴西、伊朗、韩国等都有自己核聚变研究计划，也力争在核聚变开发研究中占有一定的位置。目前 全世界已有30多个国家及地区开展了核聚变研究，运行的托卡马克装置至少有几十个。
中国在1956年制定的“十二年科学规划”中决定开展核聚变研究，经过不懈努力，到二十世纪八十年代，建成了中国环流器一号 HL－1以及 HT－6B、HT－6M等一批有影响的聚变研究实验装置。进入九十年代，又把 HL－1改建成中国环流新一号 HL－1M，其参数达到国际上同类型同规模 装置的先进水平。随着第一个超导托卡马克 HT－7实验装置的建成，中国成为继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克装置的国家，为在核聚变研究领域进入 世界前沿打下了坚实的基础。新进展新希望经过九年的努力，2001年6月终于圆满完成了国际热核聚变试验反应堆工程的设计活动。新的设计调整了最初的工程投资和建造规模，计划投资减少到 32亿美元，环形管的大环半径缩小到6米，管道半径缩小到2.15米，参数降低为等离子体电流2200万安培，燃烧时间7分钟。2001年11月，为共同 实施国际热核聚变试验反应堆，参加四方在加拿大召开了政府间第一次磋商会。2002年1月23日在东京召开了第二次政府间磋商会，讨论了协议草案、选址程 序、急需采购的设备及采购计划，以及实施的过渡安排等，另外，还确定了国际热核聚变试验反应堆实施的法人实体。
到目前为止，法国和加拿大政府都已表示愿意把国际热核聚变实验反应堆建在自己国家。日本经过几年的考虑和讨论，也决定力争把国际热核聚变实验反应堆 建在日本国内，并且把北海道的苫小牧、青森县的六所村和茨城县的那珂町三处作为候选地点。日本甚至表示，如果装置建在日本，日本愿意出70%的经费。现在 的参加四方都希望美国能重新加入 I TER计划。
欧共体、日本、加拿大、俄罗斯各参加方现在正酝酿共同实现 I TER的建造，他们正在进行与厂址有关的技术设计工作。厂址和资金分配问题确定以 后，I TER的建造就可以马上确定，如果决定建造的话，开工时间为2006年。ITER的建造周期需要十年，预计可以运行二十年。
从现代托卡马克装置研究到 I TER的研制，是超常规的发展。如果成功，将可以使示范反应堆的建造提前，加快商业应用的步伐。但是，国际聚变界的 一些专家，主要是一些美国学者，对这种所谓“毕其功于一役”的做法持有不同意见。一种反对意见认为，走 I TER这一大步的时机未到，因为有一些重要的 物理和工程问题尚未解决，如偏滤器的排热、大破裂的防御、密度极限、长脉冲 H－模的维持、中心区杂质积累等等；另一意见认为， I TER会影响对更多 对全局具有重要影响的物理和工程项目的安排，使这些项目的研究推迟，包括先进约束模式的实验研究，等离子体控制工程的一些重大课题，防 14MeV中子辐 照材料研制以及聚变堆的最佳化设计的系列课题等。对于以上反对意见，占多数的建造支持者认为，以上问题中的大部分正是ITER 想要解决的问题，但解决 的唯一方法是在全尺寸反应堆上进行实验。如果改成先建造规模较小的、物理和工程目标较低的一个替代装置（美国曾提出类似建议，被 I TER理事会拒 绝），那将会把一些非常重要的课题滞留下来，例如在长脉冲条件下氘－氚燃烧的物理和相关工程问题，使下一代装置的建造产生不确定性，其结果是推迟聚变能的 应用时间。
实现核聚变和平利用无疑是人类将最终解决能源问题的希望。人类探索核聚变这种新能源的努力将会继续下去，世界各国的总投入仍将上升，探索的步伐也将加快，这是人类面临的共同的能源总体需求所确定的。今后几十年内，我们如果解决核聚变反应堆的物理工程问题，让第一个核聚变反应堆发出的强大电能输入电网，一个崭新的和平利用核能的新世纪即可宣布开始了。
研究成果
结果近十年来，各国在托卡马克装置上的核聚变研究不断取得令人鼓舞的进展。1991年11月9日，欧共体的 J ET托卡马克装置成功地实现了核聚变史 上第一次氘－氚运行实验，在氘氚6比1的混合燃料（86%氘，14%氚）中，等离子体温度达到3亿摄氏度，核聚变反应持续了2秒钟，产生了1×1018个 聚变中子，获得的聚变输出功率为0.17万千瓦，能量增益因子 Q值达0.11－0.12。虽然高峰聚变功率输出时间仅有2秒，但这是人类历史上第一次用 可控方式获得的聚变能，意义十分重大。这一突破性的进展极大地促进了国际托卡马克实验堆ITER计划的开展。成长史1993年12月9日和10日，美国在 T FTR装置上使用氘、氚各50%的混合燃料，使温度达到3亿至4亿摄氏度，两次实验释放的聚变能分别为 0.3万千瓦和0.56万千瓦，大约为J ET输出功率的2倍和4倍，能量增益  托卡马克因子Q值达0.28。与J ET相比，Q值又得到很大提高。
1997年9月22日，联合欧洲环 J ET又创造输出功率为1.29万千瓦的世界纪录，能量增益因子 Q值达0.60,持续时间2秒。仅过了39天，输出功率又提高到1.61万千瓦， Q值达到0.65。
1997年12月，日本方面宣布，在JT－60上成功进行了氘－氘反应实验，换算到氘－氚反应， Q值可以达到1.00。后来， Q值又超过了1.25。在JT－60U上，还达到了更高的等效能量增益因子，大于1.3,它也是从氘－氘实验得出的结果外推后算出的。
2002年3月，日本在托卡马克型热核聚变基础实验装置“ T RIAM－IM”上使用高频电流产生出了热核聚变所需要的高温等离子体电流，国际热核聚变实验堆原先就计划把取消变压器作为研究课题之一，而这一研究成果为简化热核聚变反应堆的设计提供了可能，并可降低建设成本。
另外，超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈，建成了超导托卡马克，使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实，这是受控核聚变研究的一个重大突破。超导托卡马克是公认的探索、解决未来具有超导堆芯的聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。2002年初，中国 HT－7超导托卡马克实现了放电 脉冲长度大于100倍能量约束时间、电子温度2000万摄氏度的高约束稳态运行，中心密度大于每立方米1.2×1019。目前，全世界仅有俄、日、法、中 四国拥有超导托卡马克。法国的超导托卡马克 T ore－Supra体积是HT－7的17.5倍，它是世界上第一个真正实现高参数准稳态运行的装置，在 放电时间长达120秒条件下，等离子体温度为2000万摄氏度，中心密度每立方米1.5×1019，放电时间是热能约束时间的数百倍。实验表明这些实验表明，磁约束核聚变研究已进入真正的氘－氚燃烧试验阶段。而且，国际核聚变研究将由验证核聚变科学可行性的基础研究转向以证实工程可行性为主的聚变工程技术研究。
各国在红红火火地开展受控核聚变的同时， I TER却遇到挫折。美国于1998年7月宣布退出国际热核实验反应堆计划。几年来，美国对核聚变研究 的财政拨款一直维持在2亿多美元，这是维持美国核聚变研究所需资金的下限。国际热核实验反应堆计划的预算投资巨大，要求美国追加经费，这一议案遭到美国纳 税人的拒绝，未获国会通过。1996年1月，美国聚变能顾问委员会（FEAC）按照美国国会的指导方针和预算的现实情况制定了“重建的聚变能科学计 划”，即把核聚变研究从围绕国际热核实验反应堆的技术研究转到基础科学研究上来。美国虽然退出了 I TER计划，但是，又不甘心被甩在外面，仍设法派观 察员参加反应堆计划会议。
美国退出以后，俄罗斯虽十分支持 I TER，但没有经济实力，显得力不从心，只有欧共体和日本全力支持。实际上，日本和欧共体国家现已成为支持国际磁约束聚变研究规划的主体力量。原因是欧洲，尤其是日本，都缺乏能源资源，迫切需要开发新能源。可控热核聚变超导托卡马克可控热核聚变
可控热核聚变是海水中富含的氘、氚在特定环境和超高温条件下使其实现核聚变反应，以释放巨大能量，世界各国科学家为此已奋斗半个多世纪。在煤炭、石油一次性能源日渐枯竭且难以抑制环境污染的时候，清洁、安全而且原料取之不尽的可控热核聚变，成为本世纪中叶人类替代能源的希望所在。可控热核聚研究涵盖基础科学、工程科学和信息科学等多个领域，吸引了全世界的关注。美国、欧洲、日本等发达国家均为此投入巨额资金。
托卡马克是一环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实 现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。受控热核聚变在常规托卡马克装置上已经实现。但常规托卡马克装置体积庞大、效率低，突破难度大。上世 纪末，科学家们把新兴的超导技术用于托卡马克装置，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。据科学家估计。可控热核聚变的演示性的聚变堆将于2025年实现，商用聚变堆将于2040年建成。商用堆建成之前，中国科学家还设计把超导托卡马克装置作为中子源，和平用于环境保护、科学研究及其它途径。这一设想获得国内外专家较高评价。中国研究新突破位于成都的核工业西南物理研究院与合肥西郊的中国科学院等离体物理研究所传出喜讯：基于超导托卡马克装置HT－7的可控热核聚变研究再获突破，运行参数居世界前两位。本轮实验有来自美、日等14个研究机构的18 位外籍专家参与，HT－7装置成为名副其实的国际可控热核聚变研究大舞台。
石油、煤炭和核电站裂变堆所用的铀等化石能源，面临枯竭，同时造成环境污染。如果实现可控热核聚变堆的稳定运行，1升海水提供的能量约相当 300升汽油，而且没有任何污染。全世界科学家为此进行长达半个世纪的努力。 1990年，中科院等离子所兴建大型 超导托卡马克装置，得到俄、美、欧盟等机构、专家大力的支持。特别是俄罗斯科学家，世界聚变研究最具权威的俄罗斯国家研究中心卡多姆采夫教授，成为装置建设的“经常性技术指导”。
约3年时间，HT－7建成，中国成为世界上俄、法、日（法国的Tore－Supra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U）之后第四个拥有同类大型装置的国家。中国在装置相关的超导、低温制冷、强磁场等研究都登上新的 台阶。1997年，欧美科学家赠送研究经费、设备，参与改进装置、实验， 2000年，HT－7实验放电时间超过10秒，标志中国在这重大基础理论研究领 域中进入世界先进行列。
中国科学家依托HT－7装置对国际聚变研究作出应有贡献。等离子所同时是第三世界科学院等离子体物理研究中心，承担为发展中国家培训科研人员的重任。每年都有亚、非和其他发展中国家的青年科学家在此学习和参与研究。HT－7建成后不久，该所就将自己研制的装置HT－6赠送伊朗科研机构。据专家估 计，可控热核聚变可能在本世纪40年代投入商业运营，人类从此将拥有用之不绝的洁净能源。在这个中外科学家百年共同努力的造福人类“千年工程”上，人们将 会看到中国人用HT－7搭建的里程碑。
2006年，EAST实现了第一次“点火”——激发等离子态与核聚变。很快，它就实现了最高连续1000秒的运行，这在当时是前所未有的成就。
目前，EAST等实验装置仍然继续在等离子体的参数如温度、密度、持续放电时间上取得突破，成为国际上同类装置优先参考的样板。
我国“人造太阳”试验成功
据新华社合肥4月19日电（记者蔡敏）我国新一代“人造太阳”实验装置（EAST）中性束注入系统（NBI）近日完成了氢离子束功率3兆瓦、脉冲宽度500毫秒的高能量离子束引出实验。本轮实验获得的束能量和功率创下国内纪录，并基本达到EAST项目设计目标。这标志着我国自行研制的具有国际先进水平的中性束注入系统基本克服所有重大技术难关。 　记者从中科院合肥物质研究院了解到，EAST装置辅助加热系统是国家“十二五”大科学工程，2010年7月正式立项，它是使EAST具有运行高参数等离子体的能力，从而可以开展与国际热核聚变反应堆密切相关的最前沿性研究的重要系统。EAST中性束注入系统完全由中国自行研制，涵盖了精密的强流离子源等多个科学技术领域