【菜科解读】

托卡马克（Tokamak）是目前最主流的可控核聚变装置，核心是用强磁场把上亿度高温的等离子体约束在环形真空室，实现氘氚聚变，被视为人类迈向 “人造太阳” 的核心路线。

一、名字与起源

• 名称含义：俄语缩写，全称 “环形真空室磁线圈装置”（环形 toroidal、真空室 kamera、磁 magnit、线圈 kotushka）。

• 诞生：1950 年代由苏联库尔恰托夫研究所发明，1954 年建成首个装置 T-1，1968 年 T-3 装置突破关键温度，奠定主流地位。

二、核心原理：磁场 “牢笼” 困住上亿度等离子体

核聚变需要1 亿℃+高温，没有任何材料能直接接触，托卡马克用磁约束解决：

1. 环形真空室：形似 “轮胎”，内部抽成真空，注入氘氚燃料（氢同位素）。

2. 三重磁场约束

   

   

• 环向磁场：外部环形线圈通电，产生绕真空室的 “跑道型” 磁场，防止粒子径向逃逸。

• 极向磁场：中心螺线管线圈（变压器初级）感应出等离子体电流（变压器次级），电流产生垂直方向磁场，约束粒子纵向运动。

• 螺旋磁场：两种磁场叠加，形成螺旋形磁力线，让等离子体粒子沿磁力线螺旋运动，牢牢锁在中心，不碰内壁。

3. 加热到聚变温度

• 欧姆加热：等离子体电流自身电阻产热（类似电炉丝）。

• 辅助加热：微波、中性束注入（高速氢原子束），把等离子体从千万度加热到 1 亿℃以上，满足氘氚聚变条件。

4. 聚变反应与能量输出

• 氘 + 氚→氦 + 高能中子 +17.6MeV 能量。

• 带点粒子（氦核）被磁场约束，维持高温；

  不带电中子穿透磁场，撞击内壁 “包层”（锂材料），动能转化为热能，加热水成蒸汽，驱动发电机发电。

• 副产品：氦气（无放射性），锂受中子轰击还能再生氚，形成燃料闭环。

三、关键结构

• 真空室：环形，耐高温、防杂质污染。

• 磁体系统：环向线圈、中心螺线管、极向线圈，多为超导材料（如铌钛合金），降低能耗。

• 包层：内壁核心部件，承担能量捕获 + 氚增殖双重任务。

• 偏滤器：排出杂质和废热，保护真空室。

四、代表装置

• EAST（东方超环，中国）：世界首个全超导托卡马克，2021 年实现1.2 亿℃维持 403 秒，稳态运行全球领先。

  

  EAST东方超环托卡马克装置

• ITER（国际热核聚变实验堆，法国）：全球 7 方（中、欧、美、俄、日、韩、印）共建，人类最大托卡马克，目标 2035 年首次氘氚聚变，实现输出能量 > 输入能量（Q>10）。

  

  ITER国际热核聚变实验堆

• JET（欧盟）：历史最久的大型托卡马克，1997 年创下Q=0.67（输出 / 输入）纪录。

五、核心挑战

1. 稳态约束难：上亿度等离子体易失控、逃逸，需长期稳定约束（目标数千秒）。

2. 能量增益低：目前实验Q<1（输入 > 输出），需突破Q>10才能商业化。

3. 材料寿命短：中子轰击、高温等离子体冲击，内壁材料易损伤。

4. 氚自持难：氚天然稀缺，需高效增殖技术实现燃料自给。

六、优势与前景

• 优势：燃料（氘）取自海水，储量几乎无限；

  无碳排放，放射性废料极少（远低于裂变），安全性高。

• 前景：若 2035 年 ITER 达成目标，2050 年前后有望建成首座商业聚变电站，彻底解决人类能源危机。

中国人造太阳新突破：七年后建实验堆

　　资料图：人造太阳计划　　　　"这是EAST的主机部分，高11米，直径8米，重400吨，主要用来探索实现聚变能源的工程、物理问题，为未来能源发展提供新思路。

"等离子体所所长李建刚向参观大科学装置的一行人介绍说。

　　"EAST作为世界上第一个全超导非圆截面核聚变实验装置，集中了超高温、超低温、超大电流、超强磁场和超高真空五个极限。

"等离子体所一位科研人员说。

　　"从设计到建设，整个项目的自研率在90%以上，取得了68项具有自主知识产权的技术和成果。

"李建刚说。

近期，等离子体所刚刚被评为全国创新团队。

　　资料图：人造太阳计划　　从日、俄竞争者手中赢得"大单"　　这些超导线可谓EAST和ITER的"生命线"。

因为地球上再耐热的材料也会被核心区1亿摄氏度的聚变反应烧化，而要让反应和装置内壁保持一定的距离就离不开这些超导线。

"它们每秒可以通过6万安培的电流，产生10万高斯的磁场，形成一个强大的‘电磁笼’，把等离子体悬浮起来。

"李建刚解释说。

　　　"这个线圈重396吨，比EAST所有的线圈加起来还大。

三方中，俄罗斯竞标价最低，而我们的价格比日本人还高100万元人民币，很多人觉得不可思议，但我们是以技术和质量取胜。

中国人‘卖白菜’的历史一定会尽快地结束！"李建刚语气坚定地说。

　　"以前，外国人总认为中国的加工制造质量不高，现在在等离子体所的带动下，我们也可以吐气扬眉了。

"在合肥科烨公司加工车间，一位吴姓经理对《中国科学报》记者说。

　　为了让中国在世界聚变研究的前沿领域占据一席之地。

30年来，等离子体所一直把敢于创新、争取一流、自力更生、上下一心、甘于奉献的"大科学文化"作为不变的价值定位。

　　资料图：人造太阳计划　　从T7到EAST，集中了等离子体所老中青三代科研人员的智慧、心血和汗水。

现在，等离子体所已经培养了一批核聚变国际领军人才。

"有3人晋院士、两人入选‘万人计划’、引进‘千人计划’4人、‘百人计划’12人。

"李建刚如数家珍。

同时，该所已经培养了1000多名研究生，分散在全世界各地。

资料图：人造太阳计划

科学家点燃“人造太阳”，能量输出创纪录

激光型核聚变装置同时也可称为"国家点火装置"，该装置的激光系统激发192束激光释放出超过500兆兆瓦（5000亿千瓦）的峰值功率和1.85兆焦的紫外激光能量，峰值功率是目前美国本土任一时刻功率消耗的1000倍以上，而紫外激光能量值是当今世界上任何一个激光束能量100倍。

　　国家点火装置（NIF）前置放大器是实现增加激光束能量的第一步，可确保以精确的路径通向靶室。

当科学家们在上个世纪九十年代计划打造世界上最强大的激光装置时，激光射击验证是一个极具挑战性的激光性能指标设置。

结合能量水平与峰值功率聚焦在一个目标上的技术是国家点火装置实现物理学重大挑战之一的一个关键性能要求：点燃实验室氢聚变燃料和产生更多能量。