托卡马克诞生于苏联，是一种环形的磁约束受控核聚变装置。托卡马克(tокамáк)，名称取自环形(тороидальная)、真空室(камера)、磁(магнитных)、线圈(катушках)四个俄文单词的缩写。

20世纪50年代初，苏联科学家伊戈尔·塔姆和安德烈·萨哈罗夫首先提出了“托卡马克”的概念。1957年，莫斯科测量仪器科学实验室的Sector-44（即库尔恰托夫研究所前身）开始研制托卡马克。世界上首台托卡马克T-1装置由阿奇莫维奇等人设计、建造，1958年建成并开始运行。两次升级改造之后，1968年，西伯利亚的一次国际原子能机构大会上，阿尔齐莫维奇对世界宣布：苏联托卡马克T-3装置的电子温度达到了惊人的 1000 万摄氏度。经过两周的实验验证，最终确认T-3可实现的温度超过了 1000 万摄氏度。由此托卡马克装置以一种强势的姿态席卷了整个聚变世界。

图1 库尔恰托夫研究所的托卡马克T-3装置

01托卡马克原理

要实现可控聚变反应，需要有容纳 1 亿摄氏度以上的高温等离子体容器。地球上无法找到能承受如此高温的材料，所以要设法使高温等离子体悬浮在容器中间，不与反应堆壁接触。使用磁力约束高温等离子体悬浮在容器中间便是解决方法之一。托卡马克装置就是一种利用磁力约束来实现受控核聚变的环形容器，它通过两个方向的磁场线圈叠加，生成螺旋状磁场线的“笼子”。

托卡马克的结构并不复杂，主要组成部件包括环向磁场线圈、环形真空室、欧姆磁场线圈和极向磁场线圈等。欧姆线圈的电流变化提供产生、建立和维持等离子体电流所需要的伏秒数（变压器原理，伏秒为磁通量的单位）；极向场线圈产生的极向磁场控制等离子体截面形状和位置平衡；环向场线圈产生的环线磁场保证等离子体的宏观整体稳定性；环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场一起构成磁力线旋转变换的和磁面结构嵌套的磁场位形来约束等离子体。同时，等离子体电流还对自身进行欧姆加热。

主要过程如下：

首先，将多个圆形线圈排列起来组成环向磁场线圈，向其中通入电流，便会在环形真空室内产生圆环状的磁场线，即环形磁场。此时将一定量的工作气体注入到真空室中，并向欧姆磁场线圈通入电流，会产生一个新磁场。

图源：回形针PaperClip，版权归原作者所有

环向磁场线圈产生环形磁场的同时，欧姆线圈中的电流逐渐增大，其产生的磁场也随之增强，变化的磁场产生了环向电场。真空室中的工作气体被电场击穿电离，产生等离子体，并在环向电场的驱动下形成环形等离子体电流。跟电阻中流过电流会发热一样，电磁场的能量会透过电流的热效应传递给等离子体使其温度逐渐升高（欧姆放电）。

环形磁场线密度分布不均（环路内侧比外侧半径小，内侧磁感应强度比外侧大），导致等离子体环有向外扩张的趋势，也就是“粒子漂移”现象。如果不采取措施，不仅会使等离子体急剧冷却，导致反应停止，甚至可能损毁真空室的容器壁。

这时就需要在环形磁场外嵌套的极向磁场线圈发挥作用。极向磁场线圈和环形等离子体携带的巨大电流会产生极向磁场。该磁场与环形磁场相互作用扭成螺旋状。等离子体在该螺旋状磁场的作用下与向外扩张的力平衡，保持在一个既不靠内也不靠外的位置，从而消除磁场线疏密的影响，防止等离子体漂移，实现真正的“磁约束”。

图4 螺旋状磁场防止等离子体漂移

图源：回形针PaperClip，版权归原作者所有

在欧姆放电过程中，等离子体温度升高会引起它的电阻降低，受限于此，无法单凭欧姆线圈就将等离子体加热到实现受控热核聚变所需要的温度，需配合射频电磁波和中性粒子束注入等各种辅助加热手段，最终使核燃料达到1亿度聚变条件，实现点火目标。

02全超导托卡马克

磁体是托卡马克装置的主体工程，早期托卡马克的磁体体积很大，一个重要原因是当时的磁体线圈都是铜制的。为了保证足够大的电流和磁场强度，就必须缠得特别粗，而且大部分能量都被转化成热能浪费掉了，长时间运行甚至会烧毁线圈。

为了降低磁体的功耗，维持长时间稳态运行，科学家将超导技术引入到了托卡马克线圈上，将铜制线圈替换为电阻几乎为0的超导线圈。导体没有了电阻，电流流经超导线圈时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。

苏联于20世纪70年代末建造的T-7是世界首个超导托卡马克装置，它在工程上验证了超导磁体能够在托卡马克上实现连续稳态运行。最初的超导托卡马克都只是在极向磁场线圈部分运用了超导。2006年,世界上首个全超导非圆截面托卡马克实验装置EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)在中国成功建成，开启了对聚变的全新探索之路。

超导托卡马克装置T-7（左） 全超导托卡马克-EAST（右）

目前世界上正在运行的全超导托卡马克只有两个，另一个是韩国的KSTAR。法国也曾宣称将把部分超导托卡马克Tore Supra升级为全超导的WEST，但其实升级后依旧不能称之为全超导，因为它主要是对偏滤器和壁材料进行改进，成为了全球为数不多的全钨环境托卡马克装置之一。

日本也在开展全超导装置JT-60SA的建造和运行项目。JT-60SA属于新一代磁约束聚变反应实验堆，目前尚未传来正式运行的消息，未来将用于支援和补全正在法国建设的全球最大规模国际热核聚变实验反应堆（ITER）。

图5 ITER装置结构截面示意图  图源：ITER

ITER是日美欧及中国和印度等的国际联合项目，计划2025年竣工。如果确认等离子体能维持 400～600 秒，且输出能量大于输入能量，各参与国就有望向实际发电的“核聚变原型反应堆”迈进。

EAST

EAST的结构原理和常规托卡马克相同，但据等离子体物理学家李建刚在2022腾讯科学WE大会上介绍，EAST从开工到建设共发展了68项关键技术，比如大型的超导磁体技术、加热技术、主动冷却偏滤器技术等等。

超导磁体技术，也是我们通常认为EAST区别于常规托卡马克的最关键技术。

图7 超导磁体D形TF线圈（左）安装中的TF磁铁系统（右）

EAST超导磁体系统由16个TF线圈、6个PF线圈和6个中心螺线管线圈组成，选用铌钛合金(NBTI，临界温度T= 9.3 K)作为EAST磁体的超导材料。所有的线圈都采用了导管内电缆导体(CICC)技术，以提供很高的运行电流和足够的抗交流损耗能力。

另外，偏滤器也是托卡马克装置中的核心部件之一，需要直接面对等离子体的轰击，承受着来自等离子体 90%的热流和粒子流。EAST目前采用的是国际上最先进的固态钨铜偏滤器，其外表面采用钨材料，内部采用铜管进行散热，可以承受 10 MW/m2的热流密度。

图8 托卡马克装置中的偏滤器示意图

EAST装置运行15年来，先后实现了 1 兆安、1.6 亿度、1056 秒的等离子体运行，通过开放共享的建制化管理模式，全面实现了EAST设计参数指标，在稳态等离子体运行的工程和物理上继续保持国际引领。

（1）2021年12月30日，EAST实现了 1056 秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高等离子体运行的最长时间。

图9 EAST长脉冲放电结果对比

（2）2021年5月8日，东方超环实现了可重复的电子温度 1.2 亿摄氏度：101 秒等离子体运行以及 1.6 亿摄氏度：20 秒等离子体运行。

（3）2020年4月，东方超环首次实现 1 亿摄氏度运行近 10 秒。

（4）2018年11月，首次实现加热功率超过 10 MW，等离子体储能增加到 300 KJ。

KSTRA

世界上另一台正在运行的全超导托卡马克装置是韩国的KSTAR（Korea Superconducting Tokamak Advanced Research,韩国超导托卡马克高级研究所），被称为韩国的人造太阳。该项目是国际热核聚变实验反应堆（ITER）项目的一部分，负责KSTAR的是韩国聚变能源研究所。

KSTAR项目于1995年开始建设，2007年完成，2008年开始运转。设备耗资约4亿美元，研究团队规模约300人。随着2008年6月第一批等离子体的产生，KSTAR成功的加入了能够研究未来稳态聚变电厂等离子体物理学的超导托卡马克行列。

KSTAR主要设计特点（或具备条件）包括：

KSTAR主要设计特点（或具备条件）包括：全超导磁体、长脉冲运行能力、柔性等离子形位控制等。

KSTAR是世界上首个采用新型超导磁体（Nb3Sn，铌锡超导合金，临界温度T= 18.1 K）材料产生磁场的全超导聚变装置。其超导磁体系统由16个环向磁场(TF)线圈、4对中心螺线管(CS)线圈和3对外极向磁场(PF)线圈组成。16个TF线圈串联而成的环形阵列，在等离子体中心产生 3.5 T的环形磁场，导体上的最大磁场为 7.2 T，储存的磁能约为 500 MJ。TF磁体呈弧形，总体宽度3.0m，高度4.2m，所有外部PF线圈都会连接到TF线圈组件上。

磁体支撑结构由一个环形环、8个磁体支撑柱、8个垂直限位器组成，其作用是支撑TF、CS、PF线圈和结构的重量，允许冷却过程中的相对径向运动，限制垂直、环向和偏心运动。

图10 KSTAR构型（左）和横断面图（右）图源：Kim H K

截至目前，KSTAR已经为ITER未来的运行以及下一代DEMO机器的设计基础建立了极具价值的数据库。

（1）2020年12月，成功创下了实现等离子体在 1 亿摄氏度之下运行 20 秒的世界纪录。

（2）2018年，首次完成了 1 亿摄氏度的等离子体离子温度，持续时间近两秒。

（3）2016 年，KSTAR将等离子体加热至 5000 万摄氏度（ 9000 万华氏度）并保持 70 秒。

03全温超导球形托卡马克

无论是EAST还是KSTAR，它们所使用的超导材料（铌钛和铌锡超导合金）都属于低温超导材料。一些物质在超低温下会出现特殊物态——超导态，具有超导电性的物质叫超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为临界温度，低温超导材料的临界温度一般在 30 K以下。

1986年1月，瑞士物理学家卡尔·亚历克斯·米勒和他的德国合作者约翰尼斯·格奥尔·贝德诺尔茨宣布，他们发现了一种不寻常的高转变材料，这种陶瓷氧化金属材料在一定的温度下(-196 ℃)就会失去电子阻力达到超导状态，这就是高温超导（临界温度一般在 77 K以上）。高温超导材料的发现，为众多科技领域打破现有瓶颈提供了助力，球形托卡马克装置便是其中之一。

图11 高温超导体材料

图源：Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation

过去可控核聚变的研究进展速度之所以比较慢，和托卡马克本身的设计不无关系。“甜甜圈”结构虽然几经典，但运行起来却非常难以控制，因为磁场和离子流的轮廓都是极其不规则的——越靠近外部边缘，约束能力越弱。

因此，如果但从约束性上考虑，球形（A<=2,A是大半径R与小半径a之比），托卡马克其实要远高于传统的托卡马克设计。然而球形设计的最大问题，是中心柱的空间太小了，无法容纳线圈和中子屏蔽层（超导磁体的电流密度比铜磁体高很多，但需要用更厚的防护罩来保护），因此一直以来都被业界束之高阁。

随着高温超导（HTS）技术的突破，超导磁体厚度被大大缩小，从而减少所占空间，也大大降低了装置的体积和造价——球形托卡马克优势明显、高效且具有成本效益，高温超导技术则为其提供了连续运行的可能。

图12 磁力线曲率与稳定性示意图

目前在这一领域，跑得最快的是一家英国科技公司Tokamak Energy（托卡马克能源公司）。托卡马克能源公司源自库拉姆实验室，是全球最强大托卡马克装置联合欧洲环（JET）的所在地，同时也是世界领先的磁约束聚变能量研究中心。

Tokamak Energy 第一台设备 ST25 于 2012 年建成，为验证紧凑型球形托卡马克的可行性，其线圈是铜制的。2015年，托卡马克能源公司率先将紧凑型球形托卡马克与高温超导体 (HTS) 相结合，打造了世界上首台完全高温超导（ST25 HTS）磁体的托卡马克装置，这也是该公司的第二台反应堆，并在伦敦皇家学会夏季科学展览会上演示了创世界纪录的持续 29 小时等离子体。2017年，Tokamak Energy又建成了新一代球形托卡马克反应堆ST40，并且在今年3月实现了 1 亿摄氏度等离子体温度，开创了私人资本资助的核聚变研究的里程碑。

图13 ST40球形托卡马克装置  图源：Tokamak Energy

据悉，托卡马克能源公司已经公布了开发新型球形托卡马克原型装置ST80-HTS的计划。该装置使用高温超导磁体（HTS），计划2024年启动建设。ST80-HTS将提高“聚变三乘积”（即燃料离子温度、密度、能量约束时间三个参数乘积），如果ST80装置2026年投运，将为建设中试聚变电厂提供关键信息，使该电厂可以在本世纪30年代初投运。

04结束语

2021年12月16日，自然科学领域的国际顶级期刊《科学》杂志，评选出了2021年度十大科学突破，“实用型聚变反应堆”赫然在列。《科学》杂志对其重大意义评价为：核聚变有望产生廉价的、无碳的、永远在线的能源，没有核反应堆堆芯熔毁的危险，也几乎没有放射性废物。

相信聚变能源系统的技术突破将越来越多，材料技术升级、结构设计改进等都将进一步推动聚变能商业化进程。