[科普中国]-TFR托卡马克装置

简介

TFR托卡马克装置，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字 Tokamak 来源于俄语“环形、真空室、磁、线圈”的词头组成。它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 年代发明的。2

原理TFR托卡马克装置的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。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到很高的温度，以达到核聚变的目的。托卡马克装置的基本原理见图。2

研究进展自上世纪50年代托卡马克在前苏联的Kurchatov研究所诞生以来，经过近50年的不断发展，托卡马克聚变装置上获得了聚变功率输出，使用磁约束的方式获得聚变能源输出的科学可行性得到了证实。托卡马克装置聚变功率的获得，激发了全世界合作开展更大装置规模的托卡马克合作建造和实验的勇气，并因此促进了国际热核聚变实验堆（ITER）的建造。

到了上世纪80年代，托卡马克实验研究取得了较大突破。1982年，在德国ASDEX装置上首次发现高约束放电模式。1984年，欧洲JET装置上等离子体电流达到3.7MA，并能够维持数秒。1986年，美国普林斯顿的TFTR利用16MW大功率氘中性束注入，获得了中心离子温度2亿度的等离子体，同时产生了10kW的聚变功率，其中子产额达到1016cm-3s-1。3

进入1990年代，国际受控核聚变研究取得了突破性的进展。这些显著进展，使得人们开始尝试获取D—T聚变能。1997年，JET利用25MW辅助加热手段，获得了聚变功率16.1MW，即聚变能21.7MJ的世界最高纪录。

国外大装置的主要进展与贡献1968年8月，前苏联的环形磁约束装置T-3托卡马克(Tokamak)取得了突破性的进展，获得了令人震惊的实验数据。世界各国受其鼓舞，掀起了托卡马克装置的研究热潮，托卡马克装置成为受控核聚变研究的主要实验装置。迄今为止，各国先后建立了上百个托卡马克装置。其中，装置规模较大、运行参数较高的托卡马克装置以及科研机构主要有以下几个：

欧洲及JETJET(Joint European Torus，欧洲联合环)是目前世界上已建成的托卡马克装置中尺寸最大的装置之一，是由欧洲原子能委员会于1982年建造在英国的卡拉姆实验室。“JET”试验装置在试验中，已使临界等离子体的3个条件，即温度达到1亿摄氏度以上、磁场约束时间是0.6秒、1立方厘米的中子数密度为25万亿个。JET装置于1991年获得了聚变功率输出的装置，它也是世界上第一个获得聚变功率输出的装置。值得强调的是，在欧洲聚变研究协议的协调下，欧洲还有很多先进的托卡马克实验装置，例如建造在德国的ASDEX-U、意大利的FTU、英国的MAST等，还有一些其它概念的磁约束实验装置。1

美国的托卡马克装置TFTR和DⅢ-D美国是世界上聚变研究最活跃的国家之一，其建造在普林斯顿大学等离子体物理实验室的TFTR(Tokamak fusion test reactor)也是一个规模较大的托卡马克装置。该装置紧随JET获得了聚变功率输出，该装置获得聚变功率的输出后既关闭。随后美国在其通用原子能公司(GeneralAtomic,GA)的一个装置尺寸较小、但更灵活的装置DⅢ-D(DoubletIII-Di)上开展了更多的先进托卡马克装置实验研究，DIII-D位于SanDiego，它虽然不能获得聚变功率的输出，但它是世界上最早使用D形截面约束的托卡马克装置，可以在中等磁场强度的情况下提高等离子体电流和β值，因此它可以提高研究聚变商用堆的经济性。1

日本的托卡马克装置JT-60日本是世界上探索先进能源途径十分积极活跃的国家，日本在聚变方面的成就以及它早期不遗余力的装置设计成就大力推进了ITER的建造。JT-60由日本原子力研究所建造。JT-60是世界上最早使用水平偏滤器的装置，但后期的实验发现这种装置难以获得等离子体的高约束模式，于是将水平偏滤器更改为垂直偏滤器，同时装置升级为JT-60U。JT-60U具有国际最先进的加热和电流驱动装备及诊断设备。JT-60装置的“高频加热”装置是通过电磁波加热等离子体的，通过这种方法已经突破了在短时间内连续运转的难关。JT-60U使用氘作为燃料，获得了聚变功率的输出，折算到氘-氚聚变，其聚变功率输出的增益达到1.3，至今仍然保持着这个记录。此外，JAERI还建造了JFT系列的小型托卡马克装置。日本另外一个大的聚变研究机构是日本核融合研究所，在磁约束研究方面，NIFS的螺旋装置（仿星器）得到了大力发展并处于世界前沿。磁约束聚变研究的概念在日本东京大学、九州大学等也等得到推进，并分别建造了相应的科研装置。和欧洲一起，日本早期大力推进了ITER的联合建造，在ITER开展建造的背景下，日本又获得了在其国土上建造ITER的远程参与控制、数据分析中心的项目。目前日本又和欧洲联合建造一个更先进的面向聚变演示堆（DEMO）的装置：JT-60SA。1

俄罗斯的托卡马克装置原来俄罗斯（前苏联）具有世界一流的磁约束建造和研究水平，在前苏联诞生了世界第一个托卡马克装置、第一个现代改进约束的托卡马克装置T-3、第一个超导的托卡马克装置T-7，第一批大的超导的托卡马克装置T-15等。ITER最早期的概念，也是1985年由苏联首脑和美国首脑最先倡导。苏联解体后，俄罗斯、欧洲和日本是最积极推进ITER建造的成员之一。1