托卡马克

托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字 Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。它是俄语“磁线圈环形真空室”的缩写。


　　托卡马克是一个由封闭磁场组成的“容器”，形状像一个放倒的轮胎。由于等离子体中每个粒子都是显电性的，带电粒子会沿封闭的磁力线做螺旋式运动，所以几亿度高温的等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中。这种环形的磁场又叫磁瓶或磁笼，看不见，摸不着，也不接触有形的物体，因而也就不怕什么高温了，它可以把炙热的等离子体托举在空中。



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。
　　
托卡马克装置的主要特点是采用很强的纵向磁场，跟等离子体电流本身产生的角向磁场合成了具有回转变换的螺距很大的螺旋型磁场。这种磁场位形基本上具备了等离子体的稳定三要素，即乎行磁场、磁阱和磁剪切，因而它能有效地克服各种宏观不稳定性。

　　当然，受控热核聚变的研究也有其他的途径，例如惯性约束，它是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。相比较而言，托卡马克类型的磁约束研究则领先于其他途径，是最有可能率先成功的可控聚变方式。




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(Ormark)，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。

劳逊判据与托卡马克装置
　　当我们点煤炉时，煤一方面燃烧发出热量，另一方面又向四周散失热量。只有当点燃的煤足够多，使它燃烧发出的热量比散失的热量大，煤炉里的火才能愈烧愈旺，成为一个释放能量的来源。这时我们可以说这个煤炉已实现了点火。

　　聚变反应与裂变反应不同。裂变反应时可以不需要入射中子有动能；而为了实现聚变，首先要输入能量。当输入的能量与聚变反应产生的能量相等，即能量增益因子等于1时，称为得失相当。实际上，由于创造聚变条件消耗的电能，一般要3倍于它的热能才能生产出来，所以要使能量增益因子等于3时，才能真正地实现得失相当，能量收支平衡。

　　按照与煤炉点火类似的道理，英国科学家劳逊1957年提出实现得失相当的条件，即劳逊判据。对于氘、氚聚变，为了实现得失相当，等离子体的温度大约要1亿摄氏度，等离子密度（以每立方厘米的粒子数为单位）与约束时间（以秒为单位）的乘积，大约要达到100万亿。氘氚聚变得失相当的条件，比氘、氚聚变要困难几十倍。由于氘氚聚变得到的能量，大部分被聚变产生的中子带出等离子体，不能用于维持等离子体的加热状态，因而点火条件比得失相当要困难些。

　　1954年前苏联第一个托卡马克装置，实现了个别的聚变反应，但聚变反应产生的能量极微。直到1970年，前苏联在另一个托卡马克装置上，才有可以察觉到的聚变能量输出。在这座装置上，为了实现聚变消耗了10亿份能量，才得到1份聚变能量。又经过10年，在美国和西德两台托卡马克装置上，聚变能量的输出份额就增加了2亿倍。这2台装置，可以在非常短暂的瞬间，为实现聚变每消耗10份能量而得到2份聚变能量。

　　1982年圣诞节前夕，美国为实现点火而设计的大型托卡马克装置在普林斯顿大学建成。该装置是1974年批准，1977年动工的。1980年，美国总统卡特曾签署了《聚变能源工程法》，要求在7年内将聚变经费翻一番，2000年前投资200亿美元，1990年建成工程试验装置，2000年前建成聚变示范堆。而实际上这一法令的颁布，却成了美国聚变研究走下坡路的分水岭，聚变经费一再压缩。一方面由于经费的一再压缩，更主要的是由于聚变技术比原来想象的要复杂得多，所以原来确定的目标也一再推迟。

　　在此之后，1983年6月在英国建成比上述装置更大的欧洲联合环。1985年4月，日本的大型托卡马克装置已建成并投入使用。前苏联的大型托卡马克装置也已建成。由于实现点火后，装置就有强烈放射性，难以进行检修和从事各项基本研究，所以专家们期望尽可能推迟在这四座大型托卡马克装置上进行点火实验的时间，以便更多地从事一些等离子体物理的基础研究。

　　1984年9月，我国第一台中型聚变装置——中国环流器一号在四川乐山市郊建成。该装置是托卡马克型，达到国外20世纪70年代的水平。

惯性约束
　　在进行磁约束研究的同时，20世纪60年代以来，由于激光的出现，在受控聚变的领域，出现了一支强大的新的生力军——惯性约束。

　　在地球上，聚变能最先是通过惯性约束，在氢弹中大量产生的。在氢弹中，引爆用的原子弹所产生的高温高压，使氢弹中的聚变燃料依靠惯性挤压在一起，在飞散之前产生大量聚变。但是氢弹爆炸时，每次释放的能量太大，使得人类难以利用。如果我们不是用原子弹，而是用其他办法，有节奏地引爆一个个微型氢弹，就能够得到连续的能量供应。这种理想，在20世纪60年代激光问世以后，就有了实现的可能性。

　　为了加大激光引爆的效率，一般是对称地布置多路激光，同时照射直径1毫米左右的氘、氚实心或空心小丸。在十亿分之几秒的时间里，激光被靶丸吸收，周围形成几千万摄氏度的高温等离子体组成的冕区，发出比太阳耀眼得多的光芒，使靶丸大部分外层靶材受热向外喷射，由于反冲力形成的聚心冲击波，将靶芯千百倍地压缩，并产生上亿度的高温。依靠聚心压缩的惯性，靶芯在尚未来得及分散前发生聚变。

　　1963年，前苏联科学院巴索夫院士，提出用激光引发聚变的建议。1968年前苏联学者又用激光照射氘氚靶产生了聚变，证明激光聚变的概念是正确的。差不多同时，我国物理学家王淦昌教授，1964年也独立地向我国有关部门提出激光聚变的建议。根据这一建议，中国科学院上海精密光学机械研究所，从60年代起就开始准备激光聚变的研究，1973年实现了激光聚变，探测到聚变反应中释放出的高能量的中子。

　　但是1968年及1973年在前苏联及我国的装置上，都只有个别的氘氚原子核发生了聚变反应。为了使激光聚变达到可以实用的规模，当时简单的计算表明，必须使激光的能量达到几千万到几十亿焦耳。要想得到如此大的激光能量，无论是当时或现在都是难以想象的。因此激光聚变虽然是可行的，却使科学家们望而生畏。变能量释放的因素
　　当等离子体达到一定的温度，由于原子核运动速度的增加，会使它们在相互碰撞时，克服彼此间的静电斥力而聚变。很显然，对于一定的温度，在一定的时间内，原子核之间互相碰撞的次数，与等离子体中原子核的密度成正比；而在一定密度的情况下，原子核之间互相碰撞的次数，与等离子体中保持这种密度的时间，即约束时间成正比。因此聚变反应中能量的释放，与等离子体的温度，以及原子核密度和约束时间的乘积有关。

　　20世纪50年代末以来，当科学家们提出磁约束的概念后，由于氢弹的迅速成功及聚变研究的顺利进展，使不少国家的核科学家，对受控聚变抱过分乐观的态度。对受控聚变及快堆的过分乐观的估计，曾使英、前苏联、美等国的民用核动力计划，受到一定影响。使这些国家将未来能源的希望，过早地寄托在科学家的设想上。

　　这种过分的乐观，很快被一种悲观的情绪所代替。科学家们发现，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温烈火烧，但很不稳定。磁场和等离子体之间的边界会逐渐模糊，等离子体会从磁笼里钻出去，而且当约束等离子体的磁场一旦出现变形，有一种正反馈作用使这种变形加剧，造成磁笼断开或等离子体碰到聚变反应室的金属内壁上。另外，等离子体在加热过程中能量也不断损失。首先由于粒子间的碰撞，等离子体的粒子会一步一步地横越磁力线，携带能量逃逸；同时，高温等离子体会辐射出电磁波而损失能量。当等离子体含有质子数高的杂质时，这种辐射损失会急剧增加。根据不同的辐射机理，辐射损失分别与杂质原子核内质子数的平方、四次方、六次方成正比。

　　经过几十年的努力，人们才正确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。20世纪60年代末期以来，科学家在克服磁场不稳定性及能量损失方面所取得的进展，使人们对受控聚变的信心增强了。


EAST

　　EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak），“实验型先进超导托卡马克”

　　EAST装置的科学目标是建造一个具有非圆截面的大型超导托卡马克装置及其实验系统，发展并建立在超导托卡马克装置上稳态运行所需要的多种技术，开展稳态、安全、高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理问题的实验研究。

　　EAST的建成将为未来先进聚变堆的工程技术和物理基础做出中国聚变界最重要的贡献。同时将使我国核聚变研究进入世界先进水平，为人类能在本世纪后半叶实际使用聚变能做出中国的重要贡献。

　　但是，EAST还只是一个托卡马克实验装置，和其他托卡马克实验装置一样，它还不能提供给我们巨大的能量，所以EAST还不是一个真正意义上的“人造太阳”。但是EAST却是人类核聚变研究中重要的环节。　EAST里面都有些什么呢？他们又都起什么作用呢？

　　EAST实际上是一个非常复杂的实验装置，它的主要部件有真空室、纵场线圈、极向场线圈、冷屏、外杜瓦、基座等，而这些部件本身也都是一个个复杂的子系统。下面的示意图会告我们这些主要部件的结构和功能。

  
内外冷屏　 内外冷屏的作用是有效减少EAST超导磁体的热负荷，80K的内外冷屏设置在超导磁体与真空室及超导磁体与外真空杜瓦之间，冷屏由液氮或液氦冷却。

外真空杜瓦　外真空杜瓦为圆桶状结构，它分为圆顶盖、中部环体和基座三个部分。外真空杜瓦主要为极向场、纵场真空室等部件提供真空环境，并隔断外部环境对这几个大部件所产生的热交换，同时它将承受装置大部件所施加的载荷。

超导纵场线圈　超导纵场线圈是由十六个D形线圈沿环向均布组成，该系统可在等离子体中心产生3.5T的环向场，其总安匝数为30MAT。

真空室　真空室是由16个D形截面的扇形全硬段焊接而成，有48个窗口供抽气、诊断、加热电流驱动及冷却通道之用，主要是为热核聚变反应提供了一个超高真空的运行环境。

超导极向场线圈　超导极向场线圈是由上下对称分布的中心螺管和四对大线圈组成，线圈采用CICC导体设计方案，超导材料为NbTi,并用超临界4.5K氦迫流冷却。



托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字 Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。它是俄语“磁线圈环形真空室”的缩写。


　　托卡马克是一个由封闭磁场组成的“容器”，形状像一个放倒的轮胎。由于等离子体中每个粒子都是显电性的，带电粒子会沿封闭的磁力线做螺旋式运动，所以几亿度高温的等离子体就这样被约束在这种环形的磁场中。这种环形的磁场又叫磁瓶或磁笼，看不见，摸不着，也不接触有形的物体，因而也就不怕什么高温了，它可以把炙热的等离子体托举在空中。



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。
　　
托卡马克装置的主要特点是采用很强的纵向磁场，跟等离子体电流本身产生的角向磁场合成了具有回转变换的螺距很大的螺旋型磁场。这种磁场位形基本上具备了等离子体的稳定三要素，即乎行磁场、磁阱和磁剪切，因而它能有效地克服各种宏观不稳定性。

　　当然，受控热核聚变的研究也有其他的途径，例如惯性约束，它是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照靶板来产生聚变。相比较而言，托卡马克类型的磁约束研究则领先于其他途径，是最有可能率先成功的可控聚变方式。




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(Ormark)，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。

劳逊判据与托卡马克装置
　　当我们点煤炉时，煤一方面燃烧发出热量，另一方面又向四周散失热量。只有当点燃的煤足够多，使它燃烧发出的热量比散失的热量大，煤炉里的火才能愈烧愈旺，成为一个释放能量的来源。这时我们可以说这个煤炉已实现了点火。

　　聚变反应与裂变反应不同。裂变反应时可以不需要入射中子有动能；而为了实现聚变，首先要输入能量。当输入的能量与聚变反应产生的能量相等，即能量增益因子等于1时，称为得失相当。实际上，由于创造聚变条件消耗的电能，一般要3倍于它的热能才能生产出来，所以要使能量增益因子等于3时，才能真正地实现得失相当，能量收支平衡。

　　按照与煤炉点火类似的道理，英国科学家劳逊1957年提出实现得失相当的条件，即劳逊判据。对于氘、氚聚变，为了实现得失相当，等离子体的温度大约要1亿摄氏度，等离子密度（以每立方厘米的粒子数为单位）与约束时间（以秒为单位）的乘积，大约要达到100万亿。氘氚聚变得失相当的条件，比氘、氚聚变要困难几十倍。由于氘氚聚变得到的能量，大部分被聚变产生的中子带出等离子体，不能用于维持等离子体的加热状态，因而点火条件比得失相当要困难些。

　　1954年前苏联第一个托卡马克装置，实现了个别的聚变反应，但聚变反应产生的能量极微。直到1970年，前苏联在另一个托卡马克装置上，才有可以察觉到的聚变能量输出。在这座装置上，为了实现聚变消耗了10亿份能量，才得到1份聚变能量。又经过10年，在美国和西德两台托卡马克装置上，聚变能量的输出份额就增加了2亿倍。这2台装置，可以在非常短暂的瞬间，为实现聚变每消耗10份能量而得到2份聚变能量。

　　1982年圣诞节前夕，美国为实现点火而设计的大型托卡马克装置在普林斯顿大学建成。该装置是1974年批准，1977年动工的。1980年，美国总统卡特曾签署了《聚变能源工程法》，要求在7年内将聚变经费翻一番，2000年前投资200亿美元，1990年建成工程试验装置，2000年前建成聚变示范堆。而实际上这一法令的颁布，却成了美国聚变研究走下坡路的分水岭，聚变经费一再压缩。一方面由于经费的一再压缩，更主要的是由于聚变技术比原来想象的要复杂得多，所以原来确定的目标也一再推迟。

　　在此之后，1983年6月在英国建成比上述装置更大的欧洲联合环。1985年4月，日本的大型托卡马克装置已建成并投入使用。前苏联的大型托卡马克装置也已建成。由于实现点火后，装置就有强烈放射性，难以进行检修和从事各项基本研究，所以专家们期望尽可能推迟在这四座大型托卡马克装置上进行点火实验的时间，以便更多地从事一些等离子体物理的基础研究。

　　1984年9月，我国第一台中型聚变装置——中国环流器一号在四川乐山市郊建成。该装置是托卡马克型，达到国外20世纪70年代的水平。

惯性约束
　　在进行磁约束研究的同时，20世纪60年代以来，由于激光的出现，在受控聚变的领域，出现了一支强大的新的生力军——惯性约束。

　　在地球上，聚变能最先是通过惯性约束，在氢弹中大量产生的。在氢弹中，引爆用的原子弹所产生的高温高压，使氢弹中的聚变燃料依靠惯性挤压在一起，在飞散之前产生大量聚变。但是氢弹爆炸时，每次释放的能量太大，使得人类难以利用。如果我们不是用原子弹，而是用其他办法，有节奏地引爆一个个微型氢弹，就能够得到连续的能量供应。这种理想，在20世纪60年代激光问世以后，就有了实现的可能性。

　　为了加大激光引爆的效率，一般是对称地布置多路激光，同时照射直径1毫米左右的氘、氚实心或空心小丸。在十亿分之几秒的时间里，激光被靶丸吸收，周围形成几千万摄氏度的高温等离子体组成的冕区，发出比太阳耀眼得多的光芒，使靶丸大部分外层靶材受热向外喷射，由于反冲力形成的聚心冲击波，将靶芯千百倍地压缩，并产生上亿度的高温。依靠聚心压缩的惯性，靶芯在尚未来得及分散前发生聚变。

　　1963年，前苏联科学院巴索夫院士，提出用激光引发聚变的建议。1968年前苏联学者又用激光照射氘氚靶产生了聚变，证明激光聚变的概念是正确的。差不多同时，我国物理学家王淦昌教授，1964年也独立地向我国有关部门提出激光聚变的建议。根据这一建议，中国科学院上海精密光学机械研究所，从60年代起就开始准备激光聚变的研究，1973年实现了激光聚变，探测到聚变反应中释放出的高能量的中子。

　　但是1968年及1973年在前苏联及我国的装置上，都只有个别的氘氚原子核发生了聚变反应。为了使激光聚变达到可以实用的规模，当时简单的计算表明，必须使激光的能量达到几千万到几十亿焦耳。要想得到如此大的激光能量，无论是当时或现在都是难以想象的。因此激光聚变虽然是可行的，却使科学家们望而生畏。变能量释放的因素
　　当等离子体达到一定的温度，由于原子核运动速度的增加，会使它们在相互碰撞时，克服彼此间的静电斥力而聚变。很显然，对于一定的温度，在一定的时间内，原子核之间互相碰撞的次数，与等离子体中原子核的密度成正比；而在一定密度的情况下，原子核之间互相碰撞的次数，与等离子体中保持这种密度的时间，即约束时间成正比。因此聚变反应中能量的释放，与等离子体的温度，以及原子核密度和约束时间的乘积有关。

　　20世纪50年代末以来，当科学家们提出磁约束的概念后，由于氢弹的迅速成功及聚变研究的顺利进展，使不少国家的核科学家，对受控聚变抱过分乐观的态度。对受控聚变及快堆的过分乐观的估计，曾使英、前苏联、美等国的民用核动力计划，受到一定影响。使这些国家将未来能源的希望，过早地寄托在科学家的设想上。

　　这种过分的乐观，很快被一种悲观的情绪所代替。科学家们发现，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温烈火烧，但很不稳定。磁场和等离子体之间的边界会逐渐模糊，等离子体会从磁笼里钻出去，而且当约束等离子体的磁场一旦出现变形，有一种正反馈作用使这种变形加剧，造成磁笼断开或等离子体碰到聚变反应室的金属内壁上。另外，等离子体在加热过程中能量也不断损失。首先由于粒子间的碰撞，等离子体的粒子会一步一步地横越磁力线，携带能量逃逸；同时，高温等离子体会辐射出电磁波而损失能量。当等离子体含有质子数高的杂质时，这种辐射损失会急剧增加。根据不同的辐射机理，辐射损失分别与杂质原子核内质子数的平方、四次方、六次方成正比。

　　经过几十年的努力，人们才正确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。20世纪60年代末期以来，科学家在克服磁场不稳定性及能量损失方面所取得的进展，使人们对受控聚变的信心增强了。


EAST

　　EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak），“实验型先进超导托卡马克”

　　EAST装置的科学目标是建造一个具有非圆截面的大型超导托卡马克装置及其实验系统，发展并建立在超导托卡马克装置上稳态运行所需要的多种技术，开展稳态、安全、高效运行的先进托卡马克聚变反应堆基础物理问题的实验研究。

　　EAST的建成将为未来先进聚变堆的工程技术和物理基础做出中国聚变界最重要的贡献。同时将使我国核聚变研究进入世界先进水平，为人类能在本世纪后半叶实际使用聚变能做出中国的重要贡献。

　　但是，EAST还只是一个托卡马克实验装置，和其他托卡马克实验装置一样，它还不能提供给我们巨大的能量，所以EAST还不是一个真正意义上的“人造太阳”。但是EAST却是人类核聚变研究中重要的环节。　EAST里面都有些什么呢？他们又都起什么作用呢？

　　EAST实际上是一个非常复杂的实验装置，它的主要部件有真空室、纵场线圈、极向场线圈、冷屏、外杜瓦、基座等，而这些部件本身也都是一个个复杂的子系统。下面的示意图会告我们这些主要部件的结构和功能。

  
内外冷屏　 内外冷屏的作用是有效减少EAST超导磁体的热负荷，80K的内外冷屏设置在超导磁体与真空室及超导磁体与外真空杜瓦之间，冷屏由液氮或液氦冷却。

外真空杜瓦　外真空杜瓦为圆桶状结构，它分为圆顶盖、中部环体和基座三个部分。外真空杜瓦主要为极向场、纵场真空室等部件提供真空环境，并隔断外部环境对这几个大部件所产生的热交换，同时它将承受装置大部件所施加的载荷。

超导纵场线圈　超导纵场线圈是由十六个D形线圈沿环向均布组成，该系统可在等离子体中心产生3.5T的环向场，其总安匝数为30MAT。

真空室　真空室是由16个D形截面的扇形全硬段焊接而成，有48个窗口供抽气、诊断、加热电流驱动及冷却通道之用，主要是为热核聚变反应提供了一个超高真空的运行环境。

超导极向场线圈　超导极向场线圈是由上下对称分布的中心螺管和四对大线圈组成，线圈采用CICC导体设计方案，超导材料为NbTi,并用超临界4.5K氦迫流冷却。