磁约束聚变现状研究汇总

前言
化石燃料不仅储量有限，而且会造成严重的生态环
200多年后，人类将面临严重的能源枯竭问题，因此，必须
在一系列的新能源中，核聚变能是最理想的清

氘氦反应、氢硼反应等，其中氘氚反应在地球上
因其反应资源存在于海水中，一旦实现受控热核聚变，海水将成为人
(如超高温和高压)
让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生
生成新的质量更重的原子核(如氦)，中子虽然质量比较大，
因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出

惯性约束聚变装置简介
从而实现核聚变反应的一种
:利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料(氘、氚)形
在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短
（NIF），中国的神光-Ⅲ主机装置，如图1所示。
1 (a)国家点火装置 (b)神光-Ⅲ主机装置
在过去的一
其工作人员一直致力于将192束激光集中于一个花生米大小的、装有
当能量为500太瓦的激光撞击到装有氢粒子的目标上后，会产
X光粒子，使得重氢原子和超重氢原子产生聚变，这种聚变使得少量物质转变
2012年末将工作重点由聚变能研究领

-Ⅲ主机装置”，已在2015年由中物院基本建成。作为亚洲最
-Ⅲ主机装置共有48束激光，总输出能量为18
60万亿瓦。
磁约束聚变装置简介
使它受控制地发生大

60年代中期以来，各国科学家先后建成的磁约束装置包括托卡

托卡马克
来源于环形、真空室、磁、线圈，最初是由位于前苏联莫斯科的库尔
20世纪50年代发明的。该类装置也是国际上
如图2所示，托卡马克的中央是一个环形的真空室，
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
以达到核聚变的目的。经过几十年的研究，各
但这些重大成果只能维持几秒
因为常规托卡马克只能脉冲运行，为维持稳态运行，必须要研制超导托卡

常用的超导材料为NbTi或Nb
Sn，采用浸泡冷却或
冷却介质为液氮或冷氦气。为有效减少超导托卡马克装置中的

2 托卡马克环形磁容器的基本构成
国际热核聚变实验堆(ITER)计划”，该计划
我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方参与，选址在法国核
Cadarache。
3 ITER实验堆模拟图
15兆安的等离子体电流，核
50万千瓦，每秒释放多达1020个高能中子。等离子体环在屏蔽
50万千瓦热功率及核聚变反应所产生的所
在包层外是巨大的环形真空室。在下侧有偏虑器与真空室相连，可排出
16个大型超导环向场线圈（即纵场线圈）中。环
5.3特斯拉的环向强磁场，是装置的关键部件之一。穿过环的
（中心螺管），在环向场线圈外侧还布有六个大型
即极向场线圈。中心

螺管和极向场线圈的作用是产生等离子体电
上述系统整个被罩于一个大杜瓦中，坐落于底座上，构
4个10兆瓦的强流粒子加速器，10兆瓦的稳态毫
20兆瓦的射频波系统及数十种先进的等离子体诊断测量系统。
大型供电系统、大型氚工厂、大型供水（包括去离子水）系统、

超导托卡马克装置还需要关注超

HT-7的基础上，提出了
HT-7U全超导非圆截面托卡马克装置建设”计划，后更名为EAST。EAST由实
Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconducting”、托卡马
“Tokamak”四个单词首字母拼写而成，它的中文意思是"先进实验超导托卡马
"，同时具有"东方"的含意。
4 EAST装置示意图
:16个大型"D"形超导纵向磁体将产生纵向
；12个大型极向场超导磁体可以提供磁通变化 ΔФ ≥ 10 伏秒；通
≥ 100万安培的等离子体电流；持续时间将
1000秒，在高功率加热条件下温度将超过一亿度。EAST装置的主机部分高
米，直径8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷
外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。其实验运行需要有大规模低温氦制
大型超高真空、以及多种先进诊断测量等系统

2016年1月的试验中，EAST成功实现了电子温度超过5000万度、持续
102秒的超高温长脉冲等离子体放电。这是国际托卡马克实验装置在电子
5000万度时，持续时间最长的等离子体放电，是重要的阶段性研究进

仿星器
主要靠强大的等离子电流产生磁场，与外加磁场叠
从而产生能约束等离子体的螺旋磁力线。相比之下，仿星器的构造则要复杂
看起来像一个被扭过的发圈，因为它正是依靠外加磁场本身的扭曲来产生
5所示。对工程制造而言，显然托卡马克更容易，它是一种


(b)
5 (a)托卡马克简易示意图 (b)仿星器简易示意图
二者各擅胜场，却又有着各自的缺点。托卡马克
但是由于等离子电流的不稳定性，容易发生
正因如此，当前世
我国在该领域的研究

装置的关键部件是一个50圈的超导磁线圈，高度大约为3.5米，该装
16米宽，能一次约束超高温的等离子体长达30分钟以上，它第一次产
100万摄氏度的高温。
6 W7-X仿星器
该项目的下一个研
并研究利用微波制造并加热氦等离子体的
W7-X型反应堆的优势之一在于，等离
对内部运行的等离子体进行约束，杜绝
W7-X型反应堆对高温等离子体的连
30分钟，远远高于托卡马克的最高纪录。
反场箍缩
仿星器位形的另一类环形磁约束聚变装置，是
反场箍缩最重要的特点是约束等离子
具有纯欧姆加热达到聚变点火条件、高

1999年投入使用的“国家球形环实验”装置是世界首个此类装置，
0

.85米；小直径0.68米，磁场3000高斯，热功率11兆瓦，
1.4兆安。而我国的反场箍缩磁约束聚变实验装置KTX（中文简称“科
1.4
0.4米，磁场可达7千高斯，等离子体电流可达1兆安培，电子温度
6百万度，放电时间可达100毫秒。磁体系统由24个纵场线圈、26个欧姆
12个平衡场线圈以及136个反馈控制线圈组成，最大线圈直径达7米。
装置主机总体直径8米，通高6米，总重量超过70吨。如图7所示。
7 KTX装置主机结构及总装现场
磁镜
端部磁场比中间高，等离子体粒子在
它利用了带电粒子在磁场中运动时的守恒特性，可以
中间磁场较弱的磁场中把带电粒子约束在弱磁场区。这种磁场

KMAX，已在2014年由中国科学技术大学孙玄教授
该装置长度10米，主要的真空室内径1.2米， 磁喉处
0.3米。
8 KMAX磁镜装置