[科普中国]-国际托卡马克装置-

托卡马克装置简述

托卡马克即是依据等离子体约束位形而建立的磁约束聚变装置。装置主体是一个环形的真空室，用以形成等离子体约束放电所需封闭的真空条件。真空室外部缠绕着纵场磁体线圈，用以形成环形的主约束磁场。同时装置沿大环方向设置了多组极向场线圈，用以形成平衡等离子体所需的外加极向场。在这些磁体线圈的作用下，可以在真空室内部形成稳定的约束区，以维持等离子体的放电运行。典型的托卡马克装置如图所示。

上述几组磁体线圈只是维持托卡马克等离子体位形的基本条件，而实际中的托卡马克装置是更为复杂的系统。现代托卡马克装置除了磁体系统外还配置有加热系统、真空系统、送气系统、制冷系统、偏滤器系统、电源系统、诊断系统，以及其它多种先进的实验系统。加热系统早期主要使用一组与等离子体称合的欧姆加热线圈提供初始等离子体，现在结合多种辅助加热措施可实现更高参数的等离子体放电运行。真空系统用于维持真空室内部的高真空环境，同时排除反应中产生的氦灰以及其它杂质。送气系统主要用于注入反应所需的原料气体。制冷系统则用于在超导托卡马克装置中维持导体的低温环境。偏滤器系统用于产生偏滤器位形的等离子体，以实现更高参数的放电。电源系统用于对磁体系统、加热系统等大功率系统供电。诊断系统主要用于对放电运行中的等离子体参数进行测量。虽然目前在托卡马克等离子体的实验中已经取得了极大的进展，但由于等离子体性质复杂，装置磁场位形控制困难，目前相关技术仍存在极大的发展空间。托卡马克装置的设计、运行、控制相关的原理、技术、设备仍然是未来聚变堆工程技术研究领域的重点。1

国际托卡马克装置ITER近50年的世界性研究和探索使托卡马克途径的热核聚变研究已基本趋于成熟，但是，在达到商用目标之前，基于托卡马克的聚变能研究和开发计划还有一些科学和技术问题需要进一步探索。随着国际上众多大中型托卡马克的巨大进展，为了验证托卡马克能够实现长时间的聚变能输出，解决聚变堆最重要、最关键的工程技术问题以及适应未来高效、紧凑和稳态运行的商业堆的要求，国际热核聚变实验堆(ITER)应运而生。
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。2

ITER计划三个阶段ITER 计划分三个阶段进行：第一阶段为实验堆建设阶段，从 2007 年到 2021 年；第二阶段为热核聚变运行实验阶段，持续20年，其间将验证核聚变燃料的性能、实验堆所使用材料的可靠性、核聚变堆的可开发性等，为大规模商业开发聚变能进行科学和技术认证；第三阶段为实验堆退役阶段，历时5年。

具体科学计划目标ITER 具体的科学计划是：在为期十年的第一阶段，通过感应驱动获得聚变功率 500 MW、Q 大于 10、脉冲时间 500 s 的燃烧等离子体；第二阶段，通过非感应驱动等离子体电流，产生聚变功率大于350 MW、Q大于5、燃烧时间持续3000 s的等离子体，研究燃烧等离子体的稳态运行，这种高性能的“先进燃烧等离子体”是建造托卡马克型商用聚变堆所必需的。如果约束条件允许，将探索Q大于30的稳态临界点火的燃烧等离子体(不排除点火)。

ITER 计划科学目标的实现将为商用聚变堆的建造奠定可靠的科学和工程技术基础。ITER 计划的另一重要目标是通过建立和维持氘—氚燃烧等离子体，检验和实现各种聚变工程技术的集成，并进一步研究和发展能直接用于商用聚变堆的相关技术。因此，ITER也是磁约束聚变技术发展的重要阶段。在过去十余年中，与建设 ITER 有关的技术研发已经基本完成，目前建造 ITER 的技术基础已经基本具备。ITER 计划在技术上的其他重要任务包括：检验各个部件在聚变环境下的性能，包括辐照损伤、高热负荷、大电动力的冲击等，以及发展实时、本地的大规模。制氚技术等。上述工作是设计与建造商用聚变堆之前所必须完成的，而且只能在 ITER 上开展。国际上对 ITER 计划的主流看法是：建造和运行ITER 的科学和工程技术基础已经具备，成功的把握较大；再经过示范堆、原型堆核电站阶段，聚变能商业化应用可在本世纪中叶实现。2

国际托卡马克装置建设意义ITER 计划将集成当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，第一次在地球上实现能与未来实用聚变堆规模相比拟的受控热核聚变实验堆，解决通向聚变电站的关键问题，其目标是全面验证聚变能源和平利用的科学可行性和工程可行性。

更为重要的是，利用在 ITER 取得的研究成果和经验，将有助于建造一个用聚变发电的示范反应堆，示范堆的顺利运行将有可能使核聚变能商业化，因此 ITER 计划是人类研究和利用聚变能的一个重要转折，是人类受控热核聚变研究走向实用的关键一步。

参加 ITER 计划的七方总人口大约占世界的一半以上，并几乎囊括了所有的核大国。ITER计划是一次人类共同的科学探险。各国共同出资参与 ITER 计划，不仅是共同承担风险，而且集中了全球顶尖科学家的智慧，同时在政治上体现了各国在开发未来能源上的坚定立场，使其成为一个大的国际科学工程。

因此 ITER 计划绝对不仅仅是各国共同出资建一个装置的事情，它的成功实施具有重大的政治意义和深远的战略意义。参加 ITER 计划的七方总人口大约占世界的一半以上，并几乎囊括了所有的核大国。ITER计划是一次人类共同的科学探险。各国共同出资参与 ITER 计划，不仅是共同承担风险，而且集中了全球顶尖科学家的智慧，同时在政治上体现了各国在开发未来能源上的坚定立场，使其成为一个大的国际科学工程。因此 ITER 计划绝对不仅仅是各国共同出资建一个装置的事情，它的成功实施具有重大的政治意义和深远的战略意义。2