托卡马克 托卡马克是一种利用环形磁场约束高温等离子体以实现受控核聚变的装置。其名称源于俄语“环形磁室”的缩写，是当前磁约束聚变研究中最主流的装置类型。 第一步：基本结构与原理 托卡马克的主体是一个环形真空室，外部缠绕着多组线圈。当线圈通电时，会产生两种关键磁场：一是环向磁场，由环绕真空室的环形线圈产生，使带电粒子沿磁力线旋转；二是极向磁场，由等离子体自身电流产生，与环向磁场叠加形成螺旋形磁力线。这种螺旋场能有效约束粒子，减少其横向漂移。 第二步：等离子体产生与加热 首先向真空室注入少量气体（如氘），通过高频电磁波或高压击穿使其电离，形成初始等离子体。随后，在等离子体中感应产生大电流（可达兆安级），该电流通过欧姆加热提升等离子体温度。为进一步达到聚变所需的上亿摄氏度，还需使用中性束注入（将高能中性原子射入等离子体）或射频波加热（如离子回旋波）。 第三步：磁约束与平衡 等离子体电流与外部磁场相互作用会产生向内的磁压力，平衡等离子体因热运动向外的膨胀力，形成力学平衡。同时，螺旋磁场的“旋转变换”特性可抑制粒子和能量的快速横向输运。但等离子体电流可能引发扭曲模、撕裂模等不稳定性，需通过反馈控制和主动线圈实时抑制。 第四步：能量增益与挑战 聚变研究的核心指标是能量增益因子Q，即聚变输出功率与输入加热功率之比。目前托卡马克已实现Q>1（如JET装置），但距商用发电所需的Q>10仍有差距。主要挑战包括：维持稳态运行、控制边界局域模、减轻第一壁材料损伤，以及实现氚燃料自持循环。 第五步：发展现状与未来 国际热核实验堆（ITER）是目前在建的最大托卡马克，旨在验证Q≥10的燃烧等离子体科学可行性。下一步的示范电站（如中国CFETR）将集成发电功能。托卡马克的物理研究也推动了等离子体湍流、高能量粒子物理等基础学科的发展。