磁约束热核聚变

向速度就要减小，甚至为零。通常将这种由弱到强的磁场位
形叫做磁镜。如右图，两个同向通电线圈产生中间弱两边强
的磁场位形，带电粒子在横向受到磁场约束，在纵向则在两
线圈中来回反射，从而达到约
束的目的。
不过，一部分纵向动能较大的粒子仍然有可能从磁镜两
环形磁约束结构
端逃出。而采用右图所示的环形磁约束结构则可避免这种情况。这种结构也是下面将要提到 的托卡马克装置的基本结构。
莫维齐宣布在苏联的 T-3 托卡马克上实现了电子温度 1 keV，质子温度 0.5 keV，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
最早的托卡马克装置是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在 20
世纪 50 年代建造的。相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。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
邀请欧共体、日 本、美国和加拿大、前苏联的代表在维也纳开会，讨论加强核聚变研究的
国际来的 ITER。
三、国际热核聚变实验堆计划（ITER） 1985 年，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议，由美、
苏、欧、日共同启动"国际热核聚变实验堆（ITER）"计划。ITER 计划的目标是要建造 一个可自持燃烧（即"点火"）的托卡马克核聚变实验堆，以便对未来聚变示范堆及商 用聚变堆的物理和工程问题做深入探索。此后几经波折，在美国退出后，2001 年， 欧、日、俄三方通过了提案，ITER 项 目正式启动。2003 年，中国加入到 ITER 计划中，进一个月后，布什政府表示 愿意返回计划。 2005 年，韩国也宣布 加入 ITER。在各国达成协议后，ITER 的建设地点选在法国核技术研究中心 Cadarache。整个计划将投资 50 亿美 元（1998 年值），由各方按不同的比 例承担。建造期预计为 8 至 10 年，运 行期 20 年。2006 年，印度加入 ITER， 使 ITER 的参加国几乎覆盖了世界上全
来。托卡马克内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。在这种状态下，世界各国开始将有
关托卡马克的研究由各自为战转向国际合作。1987 年春，国际原子能机构（IAEA）总干事
所 以 称 为 惯 性 约 束 ），球 内 气 体 受 挤 压 而 压 力
升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达
到所需要的点火温度时，小球内气体便发生
爆炸，并产生热能。目前进行惯性约束核聚
施工中的 NIF
变的机构主要是美国的国家点火装置（NIF）。在 2010 年 10 月上旬，NIF 已经完成了
它的第一次点火试验。
支持，2010 年 NIF 的建设也提供了实验基础。惯性约束也有自己的缺点。首先，现行的惯
性约束需要用激光或高能粒子束点火，因此较难使收获的能量大于输出的能量。第二，现有
的激光设备需要在一次点火几小时后才能再次点火，而商业生产则要求每秒数次，这需要一
次技术上的飞跃。
磁约束也具有一些惯性约束所没有的优势。首先，磁约束历史悠久，许多关键技术均已
斯顿大学由仿星器-C 改建成的 ST Tokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克，法
国冯克奈-奥-罗兹研究所的 TFR Tokamak，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 Pulsator Tokamak。
不 过 ，随 着 有 关 托 卡 马 克 装 置 研 究 的 不 断 深 入 ，托 卡 马 克 的 一 些 缺 陷 开 始 显 露 出
四、惯性约束核聚变与磁约束核聚变的比较
惯性约束核聚变（ICF）是把少量的氘和
氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的
小球内，从外面均匀射入激光束或粒子束，
球 面 因 吸 收 能 量 而 向 外 蒸 发 ，受 它 的 反 作 用 ，
球 面 内 层 向 内 挤 压（ 反 作 用 力 是 一 种 惯 性 力 ，
场中的回旋运动，可知υ= 2qπBm，R=mq���B���⊥，
于是有：
M=12������������⊥2=横向动能
������
������
理论上可以证明，在梯度不是太大的非均匀磁场中，
带电粒子的磁矩 M 是个不变量。亦即，当带电粒子由较
弱的磁场区进入较强的磁场区时（B 增加），它的横向动
磁镜
能要按比例增加。然而由于洛伦兹力是不做功的，带电粒子的总动能不变，则纵向动能即纵
二、托克马克装置
托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变
的环性容器。典型的托卡马克装置由产生等离子电流
的变压器（分含铁芯和无铁芯）、产生纵场的线圈、控
制等离子柱平衡的极向场线圈和环形真空室组成。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至高温，以达到核聚变的 目的。
一种经典托卡马克装置示意图
现有的可控核聚变约束手段主要有两种，一种是惯性约束（激光点火），一种是磁约束 （托卡马克装置），前者的研究主要在美国的国家点火装置（NIF），后者主要在国际热核聚 变实验反应堆（ITER），同时还包括中国的中国联合球形托卡马克装置（SUNIST）和先进超 导托卡马克装置（EAST）。相比之下，磁约束手段似乎更具可行性，但由于其核心元件托卡 马克装置在技术上的不成熟，使包括 ITER 在内的实验项目受阻。本文将简要介绍磁约束的 原理即在可控核聚变中的应用、磁约束可控核聚变的主要装置托卡马克装置以及国际热核聚 变实验反应堆，并对比磁约束可控核聚变与惯性约束可控核聚变的特点。
相 比 磁 约 束 ，惯 性 约 束 具 有 一 些 与 生 俱 来 的 优 势 。第一，装置的聚变部分的体积小；
第二，可以采用液体金属作为聚变反应室的冷却剂，冷却效率高。当使用液体锂冷却时，还
有利于氚的增殖；第三，可以将产生激光束、电子束或离子束的聚变驱动器部分，与聚变反
应室分开，有利于检修。此外，近年来迅速发展的激光为惯性约束核聚变提供了重要的技术
成熟；第二，磁约束消耗能量较低，其能量增益因此早已突破 1 的大关，实现能量收益。因
此，事实上，世界上大多数可控核聚变反应堆均采用磁约束式。不过，磁约束核聚变的真正
成熟还需要解决一些技术难题。首先，反应中的中子辐射会对器壁造成损害；第二，磁约束 的驱动器和反应堆是一体的，对维修带来了很大困难。此外，对于托卡马克装置本身而言， 还存在着以下难题：其一，由电磁感应而产生的电流会出现脉动，因而托卡马克无法连续地 运转；其二，大型托卡马克要求大电流进行约束，而这将造成等离子体的不稳定，导致等离 子体消失并造成真空容器的器壁放电而使它损坏。不过，托卡马克装置并不是磁约束可控核 聚变的唯一出路。诸如磁镜、箍缩装置、仿星器等磁约束装置也有可能实现点火。同时，还 有人希望能将磁约束和惯性约束结合起来，开发出一条新道路。
ITER 鸟瞰
部主要国家。 ITER 远不仅仅是一台大型托卡马克装置。作为聚变能实验堆，ITER 要把上亿度、
由氘、氚组成的高温等离子体约束在体积达 837 立方米的"磁笼"中，产生 50 万千瓦 的聚变功率，持续时间达 500 秒。其装置中心是高温氘氚等离子体环，其中存在 15 兆安的等离子体电流，每秒释放多达 1020 个高能中子。等离子体环在屏蔽包层的环型 包套中，屏蔽包层将吸收 50 万千瓦热功率及核聚变反应所产生的所有中子。在包层 外 是 巨 大 的 环 形 真 空 室 ，下 侧 有 偏 虑 器 与 真 空 室 相 连 ，可 排 出 核 反 应 后 的 废 气 。真 空 室穿在 16 个大型超导环向场线圈（即纵场线圈）中。作为 ITER 的核心部件，环向超 导磁体将产生 5.3 特斯拉的环向强磁场，穿过环的中心是一个巨大的超导线圈筒（中 心 螺 管 ）， 用 于 激 发 等 离 子 电 流 。 在 环 向 场 线 圈 外 侧 还 布 有 六 个 大 型 环 向 超 导 线 圈 ， 即 极 向 场 线 圈 ，负 责 控 制 等 离 子 体 位 形 。上 述 系 统 整 个 被 罩 于 一 个 大 杜 瓦 中 ，坐 落 于 底座上，构成实验堆本体。在本体外分布 4 个 10 兆瓦的强流粒子加速器，10 兆瓦的 稳态毫米电磁波系统，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。 整个体系还包括：大型供电系统、大型氚工厂、大型供水（包括去离子水）系统、大 型 高 真 空 系 统 、大 型 液 氮 、液 氦 低 温 系 统 等 。在 本 体 内 ，所 有 可 能 的 调 整 和 维 修 都 是 通 过 远 程 控 制 的 机 器 人 或 机 器 手 完 成 。如 果 项 目 成 功 ，这 将 是 人 类 第 一 次 在 地 球 上 获 得持续的、有大量核聚变反应的高温等离子体 ，产生接近电站规模的受控聚变能。同 时 ，这 也 是 人 类 迄 今 为 止 各 种 尖 端 技 术 例 如 大 型 超 导 磁 体 技 术 ，中 能 高 流 强 加 速 器 技 术 ，连 续 、大 功 率 毫 米 波 技 术 ，复 杂 的 远 程 控 制 技 术 等 的 一 次 试 炼 和 展 示 ，在 科 学 史 上占有重要的地位。
磁约束热核聚变
高云鹏（哈尔滨工业大学物理系）
摘要： 可控核聚变是当今能源领域的一个前沿话题。在现有的两种方案中，磁约束核聚变（MCF）
已经取得一定进展。2006 年，由中国、欧盟、美国等多方参加的国际热核聚变实验反应堆 项目（ITER）正式启动，是迄今为止规模最大的磁约束可控核聚变项目。在本文中，我将简 要介绍磁约束在可控核聚变中的应用、磁约束可控核聚变的主要装置托卡马克装置以及国际 热核聚变实验反应堆，并对比磁约束可控核聚变与惯性约束可控核聚变（ICF）的特点。 关键字：可控核聚变 磁约束 托卡马克装置
一、磁约束原理 带电粒子在磁场中沿螺线运动，回旋半径 R 与磁感应强度 B 成反比。在很强的磁场中，
每个带电粒子的活动便被束缚在一根磁感线附近的很小范围内，只能沿磁感线做种纵向运动。 在热核反应的高温下，物质处于等离子态，有带电粒子组成，而由于上述原因，强磁场可以 使带电粒子的横向输运过程受限。
在纵向，同样可以利用磁约束对粒子的运动加以限制。带电粒子的圆周运动可被等效视 作通电线圈。设带电粒子的带电量为 q，回旋频率为υ，回旋半径为 R，则等效线圈中的电 流 I=qυ，面积 S=πR 2，磁矩 M=IS=πqυR2。对于在磁
参考文献：《核融合研究简介(托克马克)》（陈秋荣） 《核燃烧托卡马克装置》（吉冈奇） 《HL22A 托卡马克装置的工程和实验概况》（李 强） 《有关惯性约束聚变和磁约束聚变在技术上所遇到的难点的几点补充》（王乃彦） 《托卡马克高约束运行模式和磁约束受控核聚变》（董家齐）
2012 年 6 月 2 日 星期六