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简析托卡马克装置的优缺点 摘要：托卡马克装置是目前最有希望实现可控核聚变反应的途径。虽然托卡马 克存在着很多尚未解决的问题，例如磁场的起伏、热压强的影响，内部电流的不 稳定等，但只要这些影响不大且发展得足够缓慢，我们仍然可以实现控核聚变。 本文简要分析了托卡马克装置的优缺点。 一、托卡马克装置简介 1.1 托卡马克装置的产生背景 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 [1] 能源来实现人类的持续发展 。 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) 、真空托卡马克核聚变空室(kamera) 、磁(magnit) 、 线圈(kotushka) 。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。 托卡马克(Tokamak)是前苏联科学家于20 世纪50 年代发明的环形磁约束受 控核聚变实验装置。经过近半个世纪的努力，在托卡马克上产生聚变能的科学可 行性已被证实，但相关结果都是以短脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行 有较大距离。超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，是受控热核 聚变能研究的一个重大突破。 图1.托卡马克装置示意图[3] 1.2 托卡马克核聚变实验装置 “超导托卡马克核聚变”实验包括一个具有非圆小截面的大型超导托卡马克 实验装置和低温、真空、水冷、电源及控制、数据采集和处理、波加热、波驱动 电流、诊断等子系统。其中超导托卡马克装置是本项目的核心。而超导托卡马克 装置又包括超导纵场与极向场磁体系统、真空室、冷屏、外真空杜瓦及面对等离 [2] 子体部件等部件 。承担各部件设计的工程技术人员，在充分集思广益、充分发 挥创新能力的基础上,借鉴国际上同类装置的经验,通过一丝不苟的努力工作，目 前各项工作的进展呈良性循环，设计推动了预研工作的进行，预研工作的结果又 使设计得到进一步优化。 二、托卡马克装置的优点 2.1 托卡马克磁场位形的约束原理[3] 托卡马克装置中的总磁场 B  B e B e     , B B 它们满足条件   , 磁力线沿大环绕行的同时，又绕小圆环旋转，形成螺旋线状。磁力线绕大环 一周,角度变化2π，极向角θ 改变角度ζ,称ζ 为旋转变换角。 从小圆截面中心O 点出发的磁力线，绕大环时不产生旋转，这根线M 称为 磁轴。与磁轴相距不同半径上的磁力线都构成旋转磁面，因此形成以磁轴为中心， 不同半径嵌套的一组磁面。 [3] 图2.托卡马克装置中的磁场旋转变换 粒子回旋中心沿一根磁力线运动时，因磁场旋转变换，粒子回旋中心有时在 环的外侧（磁场较弱），有时又绕到环的内侧（磁场较强），对于运行的粒子而言， 这种磁场强弱变化类似于磁镜场的结构，于是在其中运行的粒子分为两类：粒子 v 运动速度与磁场夹角较小，即平行分量 较大，这种粒子在绕磁力线运动时能通 ||