概念解读

托卡马克核聚变

托卡马克(Tokamak)核聚变是一种利用磁约束来实现受控的核聚变。它的名字Tokamak来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、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。

托卡马克核聚变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1keV，质子温度0.5keV，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核聚变的热潮，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STTokamak，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TFRTokamak，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PulsatorTokamak。

超导技术在EAST中的运用

占发电量比重较大的核电站就是在控制之下的裂变能利用。托卡马克核聚变，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核聚变，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。

研发背景

能源是社会发展的基石。以煤炭、石油、天然气等化石能源替代柴薪的第一次能源革命带来了社会经济的飞速发展。然而这些宝贵的资源就这样被燃烧掉，同时造成了严重的污染。据估 计，一百年后地球上的化石能源将会面临枯竭。面对着即将来临的能源危机，人类有了一个共同的梦想—寻求一种无限而清洁的能源来实现人类的持续发展。

托卡马克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，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。

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。

基本原理

核能是能源家族的新成员，包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能 是重金属元素的核子通过裂变而释放的巨大能量。受控核裂变技术的发展已使裂变能的应用实现了商用化，如核 (裂变)电站。裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。聚变能是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核并释放出的能量。开展的受控核聚变研究正是致力于实现聚变能的和平利用。其实，人类已经实现了氘氚核聚变--氢弹爆炸，但那是不可控制的瞬间能量释放，人类更需要受控核聚变。维系聚变的燃料是氢的同位素氘和氚，氘在地球的海水中有极其丰富的蕴藏量。经测算，1升海水所含氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量。海水中氘的储量可使人类使用几十亿年。特别的，聚变产生的废料为氦气，是清洁和安全的。因此，聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是世界各国尤其是发达国家不遗余力竞相研究、开发聚变能的根本原因。

受控热核聚变能的研究主要有两种--惯性约束核聚变和磁约束核聚变。前者利用超高强度的激光在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变，后者则利用强磁场可很好地约束带电粒子的特性，将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。