7 磁约束

之所以可以通过磁场约束聚变燃料，是因为1亿度的聚变燃料都以离子和电子的形式存在，而磁场可以对运动中的带电粒子产生一定的约束。磁场有两个特点对于约束非常关键：（1）磁力线是闭合的，（2）磁场对带电粒子运动的影响是各向异性的。这意味着磁力线没有起点或终点，带电粒子只有垂直于磁力线的运动被洛伦兹力约束，但沿磁力线的运动不会受到磁场的影响。

以最常见的磁场形式——螺线管（solenoid，图11）为例，假设一个聚变堆由一个螺线管（图中画叉的黑色边框矩形）和一个内嵌在螺线管内的容器（真空腔体，图中灰色边框矩形）组成。因为磁场的第一个特点，无论容器尺寸多大，闭合成环的磁力线总会在某个位置与实体容器相交。

假设螺线管芯部磁场为5 T，考虑密度为 1×10²⁰m^-3，温度为10 keV的聚变等离子体，以T离子为例：平行于磁力线的运动速度‖=th≈√2_i/i≈8×10⁵m/s ，而垂直于磁力线扩散的平均速度仅有0.3m/s ！（此处按经典碰撞输运计算。如果存在湍流，可能要高两个数量级，但仍然显著慢于平行于磁力线的运动）因此，对于图11所示的螺线管磁约束聚变堆，垂直粒子流很微弱，容器的侧面会受到磁场良好的保护，但对于容器的端面来说，磁场基本不会产生保护效果，平行粒子流的轰击非常严重，容器会被迅速破坏。所以，“螺线管聚变堆”实际上是不可行的。

图11 螺线管约束系统示意图（剖面），磁场对带电粒子的约束是各向异性的

从螺线管的例子可以看出，磁力线的形态以及磁力线在容器内的分布会极大地影响约束性能。为了尽可能简单、经济地实现高性能约束，人们尝试了各种各样的磁场形态：磁镜、会切场、箍缩、反场箍缩、仿星器、托卡马克、球形托卡马克、球马克、场反位形等等，体现了令人惊叹的创造力，也极大地推动了受控热核聚变的发展。

8 磁镜

螺线管聚变堆之所以不可行，是因为磁场对于带电粒子沿磁力线的运动完全没有约束，导致平行粒子流非常强。反过来说，只要让磁力线弯曲，不再完全平行于容器主轴，就有可能改善该问题。因此，一个有效解决解决该问题的办法就是让两个同轴但有一定距离的螺线管组成一个磁镜（magnetic mirror，或者简称mirror）。如图12，磁镜内弯曲的磁力线提供了径向磁场分量 B_R，带电粒子回旋运动v_θ速度产生的洛伦兹力F_z=qv_θB_R为带电粒子提供了指向磁镜中心的 z 方向回复力。因此，虽然看上去磁镜的磁场不如螺线管的均匀，但由于带电粒子可以在 z 方向回复力的作用下在两个螺线管之间不断反弹，磁镜的约束一般来说比单纯的螺线管更好。

然而，磁镜的约束也是不完整的：如果带电粒子的角向运动速度很小而轴向运动速度很大，那么洛伦兹力F_z=qv_θB_R很有可能不足以将带电粒子反弹，粒子将沿着磁力线离开磁镜而损失。大家也不能期待仅仅约束剩下的那些足够大的带电粒子，因为带电粒子会不断碰撞以保证热运动速度满足麦克斯韦分布，带电粒子会源源不断地损失，这是磁镜的主要缺陷。此外，磁镜的另一缺陷是磁力线都从轴心向外凸出。这并不是一种有利于抑制不稳定性的形态，粒子和能量都会因为各种不稳定性而损失。

螺线管和磁镜的困境反应了这样一个事实：只要存在与实体容器相交的磁力线，约束就不可能好。因此，必须要寻找磁力线闭合在容器内的约束方式。

9 Z-箍缩

Z-箍缩（Z-pinch）是结构最简单的闭合磁力线约束方式。如图13，Z-箍缩的磁场来自阳极和阴极之间等离子体（或细金属丝）携带的大电流（通常可达MA甚至10 MA级）。很明显，电流产生的磁力线都是环绕电流闭合的，大部分磁力线都不会与实体容器相交，不会出现大量粒子直接沿磁力线轰击容器的现象。电流产生的磁场与电流自身正交，产生洛伦兹力压强F=J×B 。初期等离子体温度密度都不太高，等离子体压强比较弱，但电流很大，洛伦兹力压强很强，等离子体将会向心箍缩。随着体积的大幅缩小，等离子体的温度和密度迅速升高，很快就可能达到聚变反应条件。可以看出，这个过程跟激光聚变很相似，所以，虽然磁场深度参与了Z-箍缩过程，但Z-箍缩一般被归为惯性约束聚变方案。此处介绍Z-箍缩主要是为了便于说明箍缩类聚变方案的运行原理。

可以看出，Z-箍缩的结构简单，加热和约束均通过大电流直接或间接完成，被誉为一种“皮实的聚变方案”。然而，Z-箍缩的10 MA级大电流放电一般只有大量电容器组并联才能够承受，各个大电流开关之间的同步也很有挑战。此外，为保证箍缩的轴对称，很多时候需要非常细致地设计、加工和安装金属丝阵列，每次放电结束都需要非常彻底地清洁放电区。因此，实际的Z-箍缩也存在诸多局限。

更致命的是，Z-箍缩等离子体存在严重的不稳定性。以最典型的腊肠不稳定性为例：如图14，只要等离子体柱任意位置因为扰动而稍微收缩，该处的电流密度J就会升高，附近的磁场B也随之增强，产生更强的洛伦兹力并进一步箍缩等离子体柱。这个正反馈过程迅速把等离子体柱像腊肠一样切断（这也是它被命名为“腊肠”不稳定性的来由），放电随之中止。此外，还有扭曲不稳定性等其他不稳定性。这些不稳定性发展极为迅速，导致Z-箍缩的放电时长一般非常短暂，很多时候还没有箍缩到聚变反应条件，放电就提前终止。因此，Z-箍缩离实现聚变能还有比较大的距离。

除了Z-箍缩，还有环形箍缩，主要区别在于电流由环形等离子体承载，不再是电极放电，而是通过变压器感应产生。但箍缩等离子体都面临相似的问题，几乎都不能稳定地维持等离子体。但在某些情况下，环形箍缩等离子体可以通过弛豫过程进入最低能量状态（或者说泰勒态），不稳定性会得到一定程度的抑制，等离子体持续时间明显增加，这就是反向场箍缩（reversed field pinch，简称RFP）。中国科学技术大学的KTX就是一台反向场箍缩装置。

10 环形磁场

箍缩等离子体的表现说明，依靠等离子体电流自身产生的环形磁场稳定地约束等离子体并不容易。因此，人们自然地想到改用外部线圈产生环形磁场，如图15：将直螺线管弯曲成一个闭合的环，形成一个环形磁场线圈；同时将容器也改成环形。这样组合可以保证绝大部分磁力线不与容器相交，直觉带电粒子将沿着环形磁力线无限循环运动，看上去这应该是一个不错的约束方案。

图15 纯环形磁场约束方案

然而，事情没有这么简单。带电粒子在磁场中受洛伦兹力影响而回旋运动。正是这个回旋运动使得带电粒子的宏观运动发生了根本的变化。回旋运动中的带电粒子如同旋转中的陀螺，如图16^[11]，垂直于旋转轴的外力会驱使带电粒子（或者陀螺）沿既垂直于旋转轴也垂直于外力的方向运动（或者进动）。

如图17，在环形磁场中，带电粒子一边围绕磁力线回旋运动，一边沿磁力线作环形运动，速度为v_∥ 。环形运动产生的离心力F_c相当于给带电粒子施加了一个沿径向的外力，会导致带电粒子产生垂直于环形磁力线的运动v_d,e和 v_d,i，该运动被称作磁场曲率漂移。此外，还存在由于磁场空间分布不均匀导致的磁场梯度漂移，以及电荷分离产生的电场E导致的E×B漂移 v_d,E×B。所有漂移都会让带电粒子离开芯部直至容器边界而损失。因此，与直觉相反，简单的环形磁场并不能约束聚变等离子体，必须对其做一些优化。

11 仿星器

仿星器（stellarator，意思是模仿恒星的功能产生聚变，而不是仿照恒星的形状）通过改变环形磁场线圈的空间布局或者添加额外的线圈，扭转磁力线的旋转方向，产生螺旋形磁力线，从而避免粒子损失。

如图18右（为简化省略了真空室），最原始的仿星器原理很简单：将两个简单环形磁场断开、扭曲然后对接，构成一个既有逆时针旋转又有顺时针旋转的“8”字形磁力线。带电粒子经过两个弧形段时，由于磁力线的曲率和梯度方向相对容器发生了反转，离子会分别产生垂直向上和垂直向下的漂移（电子恰好相反），相当于在同一根磁力线扫过的区域同时存在正电荷和负电荷。带电粒子在沿垂直方向漂移（漂移速度∽10m³/s ）的同时，以更快的速度沿磁力线高速运动（ ∽10⁵m/s ），沿磁力线方向的电场会极大地抑制磁场曲率漂移和梯度漂移，顶部和底部电荷积累会被迅速消除，也避免产生垂直电场及其带来的 E×B 漂移。因此，这是一种真正可用于约束的环形磁场。

与此相反的是图18左所示的简单环形磁场，由于任意位置磁场曲率漂移和梯度漂移的方向都是固定的，会导致垂直方向严重的电荷积累，并导致显著的 E×B漂移。

最早的仿星器就是“8”字形的，如图19^[12]。这种仿星器约束性能比简单环形磁场好得多，但由于稳定性不佳，约束仍然不够好。更麻烦的是它建造的时候连参考面都不好找。桌面级的小尺寸原型机还勉强能制造和安装，但要做大就非常困难，如何支撑都是个严重的问题，必须继续改进。

除了扭转等离子体和真空室容器，扭转磁场让磁力线连接环形容器的顶部和底部，也可以迅速消除顶部和底部的电荷积累，避免漂移损失。如图20，在简单环形磁场的基础上增加若干组螺旋磁场线圈，让磁场除了环向分量 B_T（下标T代表toroidal，环向）以外，还包括一定的角向分量 B_θ ，使磁力线变成螺旋形。螺旋形磁力线会扫过全部角向角度：以磁力线p₁为例，在剖面1处尚位于等离子体环内侧，到剖面2处就已经扫到等离子体环的外侧，继续旋转就可以扫到更多角度，从而短路所有漂移产生的正电荷与负电荷，避免粒子损失。

德国的W7-A（图21^[13]）就是一个由环向磁场线圈和螺旋磁场线圈组成的仿星器，约束性能达到了预期。然而，虽然这种仿星器在结构上已经没有明显的制造困难，但由于它的环向磁场线圈和螺旋线圈是互相嵌套的，至少一个线圈只能现场绕制，很难大规模生产。相比于在工厂里大规模标准化生产，现场绕制速度慢，质量控制难，成本非常高。这对于科研实验装置还能勉强忍受，但要成为一种大规模建设的电站是不可能的。因此，必须想办法去掉嵌套线圈，保证规模化生产的可能性。

避免嵌套的方式也很简单。如图22，将仿星器线圈（上图）展开至平面（下左图）可以发现，环向磁场线圈和螺旋磁场线圈构成了具有一定周期性的重复结构。利用这个特点，可以构造一个如图22下中所示的模块化线圈，将其按照一定的规则排列（下右），就可以产生与上图等效的电流分布，对应的磁场分布也将保持一致，但线圈之间没有任何嵌套。这种由模块化线圈组成的仿星器符合工业化规模化生产的要求。如果未来建设基于仿星器的聚变电站，可以批量生产模块化线圈，再运输到现场安装。在提高效率的同时，还可以保证质量，降低成本。

模块化线圈还带来了另一个优点：宽裕的优化空间。模块化线圈是三维的，组合在一起形成最终的约束磁场。这些特点给仿星器磁场的优化设计带来了几乎无穷的可能性。人们正在开发各种各样的计算程序，分析热核聚变等离子体在复杂三维磁场中的运动，探索最佳的磁场形态。W7-A的后续装置W7-AS是第一个开展了优化设计的仿星器。W7-AS的后续装置W7-X（图23^[14]）进一步深度优化，是目前人类性能最强的仿星器，在多个方面取得了突破性的进展，三乘积 n_iT_iTE>5.3×10¹⁹m^-3keV·s ^[15]，已经与同尺寸同磁场的最高水平无异（虽然离劳逊判据仍然相差超过一个数量级），表明了三维磁场优化路线的潜力。

但是，从图23也可以看出这种模块化仿星器面临的主要困难：（1）线圈自身和相互之间存在很强的电动力，以及复杂的三维（非平面）磁场线圈导致加工和安装非常困难；（2）磁场不再轴对称，空间分布不均匀，带电粒子特别是高能粒子的约束比较差。

第1个困难导致W7-X的造价（10.6亿欧元）比预算大幅攀升（超支接近一倍），竣工时间（2015年）大幅落后于预期（2006年）。但需要说明的是，W7-X超支和延期并不意味着模块化线圈这条路线不对。W7-X作为世界上第一个模块化超导线圈仿星器，需要解决非常多全新的问题，欧盟内部多国协调也有很多不足，这些因素也都需要考虑。

第2个困难则与磁镜有关。从前面的描述我们已知，环形磁场中的带电粒子一般需要沿环运动多圈才能连接底部和顶部，有效地中和电荷积累。然而，仿星器各种形态的线圈数目非常多且极不规则，会形成大量局部磁镜（如图24，图中磁力线形态有夸大）。从第8节我们已经知道，磁镜是可以在一定程度上约束带电粒子的。这将导致一些粒子被“捕获”在局部磁镜中，无法完整地完成环向运动，也就不能消除磁场曲率和磁场梯度带来的漂移，进而导致粒子损失。特别是用于加热其它粒子的高能离子，由于碰撞频率很低，一旦被局域磁镜捕获就几乎逃不出来，损失很快。这对于未来聚变堆的自持加热（聚变反应产生的3.5 MeV氦原子核加热氘和氚）是极为重要的。

除了这两个困难，复杂的磁场线圈导致仿星器的大部分体积都被线圈和支撑结构占据，真正可以产生聚变反应的等离子体空间又细又扁（图25^[16]）。这意味着仿星器聚变堆的功率密度相当低，单位发电功率的建造成本较高，经济性令人担忧。

因此，目前的仿星器研究团队大都在通过创新的思想，优化仿星器磁场线圈，降低磁场线圈的复杂度，扩大等离子体体积（浙江大学已经设计出只用4个平面线圈的仿星器^[17]）；或者利用先进的计算程序和强大的计算能力，使用钕铁硼等强磁场永磁体提供部分磁场，去掉三维磁场线圈（德国马克斯普朗克研究所^[18]、美国普林斯顿等离子体物理实验室^[19]和中科院等离子体物理研究所^[20]）；同时降低磁场的不均匀性，尽可能实现轴对称磁场（西南交通大学正在建设的CFQS仿星器^[21]），改善粒子约束。

与Z-箍缩和后面将介绍的其他约束方式都不相同的是，仿星器的磁场几乎完全由外部线圈产生，等离子体自身的扰动对磁场的影响很小，不会产生由等离子体电流引起的不稳定性，更加不会产生破裂等托卡马克上非常危险的不稳定性（后面介绍）。而且，仿星器天然就是一种可长时间连续运行的磁约束聚变装置，非常符合未来聚变电站的需求。因此，虽然存在一些棘手的挑战，但仿星器仍然是目前人们非常期待的一种磁约束核聚变解决方案。

看到这里的读者可能有点沮丧，从螺线管、磁镜、Z-箍缩到仿星器，为了实现受控核聚变，解决了一个又一个的问题，但又不断遇到新的麻烦。难道就没有一种各方面性能都不错，麻烦比较少的约束方式吗？答案当然是有的，那就是托卡马克。

12 托卡马克

托卡马克（音译自俄语单词tокамáк，直译是环形的、有磁场线圈的腔体）是目前人类性能最好的受控聚变方案。

从名字的直译就可以看出来，托卡马克是环形结构，因此也需要通过螺旋磁场来避免粒子漂移。如图26左上，托卡马克所有的线圈都是平面线圈，并且以轴对称的方式布置。显然，这样的线圈只能产生简单环形磁场，如果没有别的磁场的话，是约束不了等离子体的。

与仿星器不同的是，托卡马克的等离子体在环形电场（或者电磁波、定向粒子束等）的驱动下，携带着强大的电流（可达10 MA级）。换句话说，托卡马克的环形等离子体同时也是一个电流环。这个电流环会产生一定的角向磁场（图26左下）。该角向磁场与环形磁场一起，组成了螺旋磁场（图26右），避免了漂移，形成了完整的约束。这样的设计大大简化了磁场线圈的技术难度，并且显著提高了磁场的均匀性。一方面降低了制作和安装成本，另一方面也显著改善了约束。

因为有巨大的电流流过托卡马克等离子体环，托卡马克也可视作叠加了强环向磁场的环形箍缩。托卡马克中，平衡等离子体热压强的主要力量是电流环自身的箍缩力（ J×B ），这一点与Z-箍缩、环形箍缩也很类似。

除了环向磁场线圈以外，托卡马克的主要组成部件还包括环形真空室、欧姆磁场线圈和垂直磁场线圈等，如图27。

托卡马克的结构并不复杂，运行方式（欧姆放电）也很简单，关键是驱动环形等离子体电流（形成螺旋形磁力线），主要过程如下：

1.往环向磁场线圈中通入电流，在环形真空室内产生环向磁场B_T  ，图28.1；

2.往环形真空室中通入一定量的工作气体（比如氘气D₂ ），图28.2；

3.往欧姆磁场线圈中通入变化的电流，产生变化的欧姆磁场B_Ο ，进一步感应产生环向电场 E_T 。该电场击穿工作气体，产生若干电子和离子。图28.3；

4.气体击穿后发生雪崩，大部分工作气体都被电离为等离子体，并在环向电场E_T的驱动下形成环形等离子体电流I_P。图28.4；

5.由于等离子体热压强和电流环的电动力等，等离子体环有向外扩张的趋势。如果不采取措施，等离子体将撞向环形真空室壁而冷却。图28.5；

6.往垂直磁场线圈中通入电流，产生垂直磁场 B_V 。等离子体在该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，实现真正的“磁约束”。图28.6。

此时，相当于有一个环向电场施加在一个由等离子体构成的环形电阻上，产生了环形等离子体电流。跟电阻流过电流会发热一样，等离子体在此过程中也会被加热。因此，这个过程被称为欧姆放电。

从欧姆放电的过程可以发现，由苏联科学家发明的托卡马克，使用三组并不复杂的线圈和一个环形真空室就完成了等离子体产生、维持受力平衡、约束和加热等离子体——几乎囊括了磁约束受控聚变的全部任务，并且都有相当高（部分方面最高）的性能。整个过程没有涉及微波、激光等较为高级的技术（对磁场线圈放电是19世纪法拉第时代就经常玩的事情，真空腔体则在17世纪马德堡半球实验的时代就开始做了），而是通过巧妙的设计，仅用一些“低”技术就实现了“高”性能，跟AK47类似，是苏式发明的典型代表。

由于托卡马克容易建造也容易得到较好的实验结果，从1970年代起，各国研究机构纷纷建设托卡马克，世界范围内托卡马克的数量要远多于仿星器（数量差异接近两个量级）。大量的研究也促使托卡马克成为目前人类理解最充分的一种磁约束核聚变方案。从1960年代打开名声的T-3托卡马克开始，直至2000年之前，托卡马克的性能指标——三乘积（nT_iTE，密度、离子温度和能量约束时间的乘积）以高于芯片摩尔定律的发展速度快速提升，如图29^[22].

研究磁约束核聚变等离子体所需的物理并不是很艰深，绝大部分场合牛顿力学方程组和麦克斯韦方程组就能准确描述，需要相对论、量子力学的场合都很少。然而，强磁场中聚变等离子体的运动十分复杂，回旋运动和平行运动相互耦合、电场和磁场导致无需碰撞即有长程相互作用、大量粒子的集体效应、非热平衡效应、多时空尺度、非线性等非常多且复杂的因素纠缠在一起，导致磁约束核聚变等离子体的运动极难求解。即使是目前最先进的超级计算机，也只能在显著简化的条件下开展计算，或者仅仅计算微小空间中等离子体在极短时间内的运动。（可以与流体对比，一般流体的运动已经很难解了，而聚变等离子体是一种电磁流体，粒子不发生碰撞也可以通过电场和磁场发生复杂的相互影响，一下子就麻烦了许多。再加上其中很多带电粒子还不能用流体描述等，更加复杂。）

因此，磁约束核聚变等离子体的研究极度依赖于实验。大量基于托卡马克的实验数据构成了人类目前最充分、最可信的磁约束核聚变数据库，为建设未来的聚变堆打下了坚实的基础。其中最重要的是约束定标率，决定了多少等离子体电流、多强磁场、多高密度、多大尺寸、什么形状的托卡马克能达到怎样的约束性能。典型的定标率ITERH-98(y,2)可表示为 T_E=0.0562I^0.93B^0.15n^0.41P^-0.69R^1.97k^0.78￠^0.58M^0.19 ，其中 T_E是能量约束时间，单位：s，衡量聚变方案约束性能的指标；I是等离子体电流，单位：MA；B是磁场，单位：T；n是密度，单位：10¹⁹m^-3 ； P是等离子体吸收的加热功率，单位：MW；R是等离子体环大半径，单位：m；k是等离子体截面形状拉长比（椭圆长轴与短轴之比），无单位；￠是等离子体截面半径与环半径之比，无单位；M是等离子体中离子的质量数（H取1，D取2，T取3，混合物按组分取平均），无单位。

习惯于类似 E=mc²这样简洁漂亮公式的读者可能很难接受上面的定标率公式：它看上去实在是“太丑陋“了！比如，等离子体电流I的指数为什么是0.93而不是1？大半径R的指数为什么是1.97而不是2？之所以各项指数看上去毫无道理可言，是因为定标率公式是由遍布全球数个国家的十多个托卡马克数百次实验数据拟合而成（图30^[23]）。因此，虽然定标率公式不漂亮，但却经受了无数次实验检验，是目前最可靠的托卡马克聚变规律。世界各主要国家合作设计并正在建设国际热核实验反应堆（ITER）就是基于这些定标率设计的。

从定标率可以看出，托卡马克的约束性能很大程度上取决于装置的尺寸 R 和磁场B（虽然ITERH-98(y,2)定标率中磁场的指数不大，但实际上磁场决定了指数第二大的等离子体电流I的大小；仿星器约束定标率中尺寸和磁场的指数也分列第一和第二位），这也是目前包括托卡马克和仿星器在内的主流磁约束受控聚变实验装置越建越大、磁场越来越强的原因。

线圈和真空室结构都比较简单、对称性好的大型强磁场托卡马克远比大型强磁场仿星器更容易建造。因此，目前人类建造的性能最好的几个磁约束聚变装置都是托卡马克。在1990年代末期，欧洲的JET和美国的TFTR两个托卡马克都开展了DT实验，成功地获得了10 MW以上聚变功率，完成了磁约束核聚变的科学可行性验证。2022年2月9日，欧洲聚变组织EUROfusion和英国原子能机构UKAEA联合发布了JET最新一轮DT实验结果，平均10 MW聚变功率持续了超过5秒，释放的聚变能超过59 MJ（图31^[24]）。最新一轮实验结果是在与ITER非常类似的环境下取得的，显著地增强了大家对于ITER的信心。顺便提一句，这些实验结果说明10 MW级受控聚变在30年前就已经实现了，只是还没达到得失平衡，不能称之为受控聚变能。

在科学可行性得到验证的基础上，ITER将验证磁约束核聚变的关键技术可行性。ITER（图31^[25]）也是一个托卡马克，大半径 R：6.2 m，小半径 α：2.0 m，磁场B_T ：5.3 T，等离子体电流 I_P：15 MA，平均离子温度 <T_i> ：8.0 keV。ITER所有的参数都是目前人类已经运行的最大托卡马克JET的两倍左右，等离子体体积更是提高了一个数量级至840 m³ 。可以说，从JET到ITER，人类迈了一大步（图30也反映了这一点）！

投入如此大的人力物力财力，建设跨度这么大的ITER，实际上冒了不小的风险，聚变圈有人对此颇有看法。但是，ITER的诱惑太大了。大家之所以下决心即使有一定风险也要建设ITER，是因为它是人类首个可以产生10倍于加热功率的500 MW聚变功率的聚变装置，并且可以长时间（小时级）运行。在ITER上，人们将认识、了解和测试聚变发电的最后几个关键问题：燃烧等离子体（发生聚变反应的等离子体）有何特性？聚变反应产生的高能α粒子如何有效地加热DT燃料?α粒子将能量传递给D和T以后如何从约束区排出？怎样将DT聚变反应产生的中子倍增然后与锂反应产生T，解决聚变燃料T的供给问题？怎样通过增加打击位置或者拓宽打击距离解决高达20MW/m²（甚至 1GM/m ，作为对比，航天飞机再入大气层时表面热负荷只有0.5MW/m²）的热量排出？高通量 14 MeV 中子轰击下的材料该如何制造？

虽然托卡马克是目前最领先的磁约束核聚变方案，但它也存在一些风险。从前面的介绍可知，环形等离子体电流是形成螺旋磁场的必要组成部分，欧姆放电的一个重要任务就是驱动这个环形电流。然而，驱动电流是一件比加热难办的事情，因为电流需要电荷定向运动，而加热只要无规则运动就够了。欧姆放电以感应方式驱动电流（本质上是一个变压器，欧姆磁场线圈是初级，环形等离子体是次级），虽然效率很高，但却不能持续，因为欧姆螺线管的磁通是有限的（变压器不能一直维持一个单向的电流）。因此，托卡马克需要使用射频波或者切向粒子束等非感应的外部驱动手段才能长时间运行（图32^[26]）。但不幸的是，对于聚变堆级等离子体，这些手段的效率都不是很高，会带来显著的厂内用电，降低经济性。

等离子体电流还是一种高自由能状态，是很多不稳定性的根源。聚变堆10 MA级等离子体电流更是如此。如果携带如此大电流的等离子体环意外破裂，电流将以极快的速率下降，并在真空室及其内部部件上感应出强大的涡流，产生巨大的电动力。对于ITER来说，极端情况下该电动力相当于主战坦克全速撞击真空室等部件，用不了几次就有可能把整个装置撕坏。此外，等离子体破裂还有可能产生MA级流强、MeV级能量的高能高通量电子束（逃逸电子），直接融化甚至烧穿真空室壁（图33^[27]）。耗费几十年、投资几百亿欧元的装置因为等离子体电流不稳定性而损毁，这是不能接受的。因此，等离子体破裂是ITER面临的最大风险。如何预测、抑制和缓解等离子体破裂，是目前托卡马克领域最紧迫的任务之一。

看到这里，读者可能会发现“鱼和熊掌”的矛盾无处不在：仿星器完全由外部线圈产生磁场，稳定性很好，但形状诡异，制作起来很难；托卡马克的磁场由外部线圈和等离子体电流共同形成，结构简单，制作起来不难，但稳定性就差一点。然而，托卡马克之所以暴露了这么多问题，一个重要的原因是托卡马克的研究最充分，了解最全面。而仿星器做起来比较难，数量比较少，研究不足，很多问题尚未暴露。因此，人们仍然把托卡马克作为磁约束核聚变的首选。