托卡马克(Tokamak)核聚变

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。
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。
法国研究的托卡马克核聚变装置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。
实现梦想需要科学。经过多年大量科学实验证明在一种称为托卡马克核聚变能开发出无限而清洁的聚变能，它能帮助人类实现寻求能源的梦想。
托卡马克核聚变 - 基本原理
托卡马克核聚变原理演示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。目前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，l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。
5、装置技术诊断系统。
装置技术诊断包括温度测量、应力应变测量、失超保护和短路检测等部分。温度测量从4.5k的液氦温度到350°C面对等离子体部件的烘烤温度，要测的温度范围大，且要使用不同的方法。特别是超低温下的温度测量，其温度计的标定费用高，科研人员积极发挥创新的能力，自己开发了一套温度标定系统，且在该系统上进行了HT-7U所有低温温度计的标定。应力应变测量、短路检测和失超保护的探测及放大电路已设计并调试完毕，数据采集和处理的专用程序也已进入调试阶段。
2、真空室。
托卡马克核聚变：真空室（中间）真空室是直接盛装等离子体的容器，除了要为等离子体提供一个超高真空环境，要满足装置稳定运行时等离子体对电磁的要求以及为诊断等离子体的特性、等离子体加热、真空抽气、水冷及加料对窗口的要求、中子屏蔽的要求、还要满足面对等离子体部件定位和准直的要求。HT-7U真空室是双层全焊接结构，由于真空室离等离子体近，等离子体与真空室之间的电磁作用最直接，真空室上所受的电磁力最大，同时真空室要烘烤到250°C，因温度变化所产生的热变形大。设计人员考虑到以上这些因素，对真空室进行了所有可能工况下的多轮受力分析、电磁分析和传热计算，针对每一轮的计算结果对结构设计进行优化。目前已完成最新一轮满足各项要求的结构在各种工况下的静应力分析、模态分析、频率响应分析和地震响应分析，为设计的可靠性提供了充分的依据。真空室试验原型段的施工设计正在进行之中，真空室满足热胀冷缩要求的特殊支撑结构的试验平台正在制造过程中，真空室窗口所使用的各种异型波纹管的研制也在紧张的克拥有不少优势。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。
4、面对等离子体部件 。
面对等离子体部件直接朝向等离子体，其表面性质直接影响等离子体杂质的返流和气体再循环，等离子体的能量依靠面对等离子体部件的冷却系统输运到托卡马克外。面对等离子体部件相对等离子体的位置的优化正与德国马普等离子体所合作，利用他们的程序进行计算，已得出初步结果；直接面对等离子体的石墨材料正与山西煤化所合作研究，开发参杂石墨与石墨表面的低溅射涂层，用于石墨材料各项性能试验的大功率电子枪和实验系统正在装修一新的实验室中调试；用于试验水冷结构和石墨性能的面对等离子体部件的试验件已组装到HT-7超导托卡马克的真空室中，在即将进行的一轮试验中进行各项指标的测试。
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
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。
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。
2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成
托卡马克核聚变（法）并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。核反应释放的能量相当于相同质量的物质释放的化学能的数十万倍至百万倍。核反应有核裂变、核聚变两种形式。一个重核在中子的轰击下分裂成高能碎片的反应叫做核裂变，主要反应物是稀少的放射性元素铀、钚等，如原子弹爆炸；两个轻核发生碰撞结合成重核的反应叫做核聚变，主要反应物为氢的同位素氘和氚，如氢弹爆炸、太阳发光发热等。
托卡马克核聚变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。
1、超导磁系统。
托卡马克核聚变：超导磁系统超导纵场与极向场磁系统是HT-7U超导托卡马克的关键部件，结构复杂、技术难点多、难度大、涉及的不确定因素多。科研人员经过一轮又一轮的设计、计算和分析，对多种方案进行比较、优化，目前超导导体的设计已进入最后的实验选型阶段；线圈的设计已完成试验线圈的设计与绕制及原型线圈的设计；低温下高强度线圈盒的设计已完成各种可能工况下的力学分析与计算、传热分析与计算、电磁分析计算以及线圈盒焊接时的温升对超导线圈性能影响的试验等工作；低温冷却回路的设计已完成热的分析与计算及冷却参数的优化；超导导体接头已完成多种方案的设计、研制与试验，并确定了最终的结构形式；超低温绝缘子的研究已完成最终的设计与试制，进入批量制造阶段；超导线圈的真空压力浸渍的工艺研究在国内电绝缘的归口单位---桂林电科所及中科院北京低温中心的密切配合下已完成超低温绝缘胶的配方的研究，正在完成超低温绝缘胶真空压力浸渍的最终工艺试验。超导极向场的线圈位置优化和电流波形优化，使之既能满足双零和单零的偏滤器位形的要求，又能满足限制器位形的要求，这项工作经过反复的平衡计算与调试、比较，已经满足物理的要求，工程上线圈在装置上的位置以及线圈的截面形状均已确定。