最成功的磁场笼子

在20世纪50年代中叶到60年代初，前苏联与美国分别进行环形装置的研究，前苏联是从Z向收缩弯成环形来研究的，他们的装置称为Tokamak，我们翻译成托卡马克。美国是从角向收缩直线形弯成环形来研究的，他们的装置称为Stellarator，我们翻译成仿星器。

仿星器不如托卡马克成功，世界上慢慢不用仿星器这名词，而都把环状装置都称为托卡马克。20世纪60年代前苏联提出后，世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。到现在，全世界共建造了上百个托卡马克装置。美国、欧洲、日本、前苏联建造了四个大型托卡马克，即美国1982年在普林斯顿大学建成的Tokamak聚变实验反应堆（TFTR），欧洲1983年6月在英国建成更大装置的欧洲联合环（JET），日本1985年建成的JT-60，前苏联1982年建成超导磁体的T-15；它们都在磁约束聚变研究中做出了重要的贡献。特别是欧洲的JET已经实现了氘、氚的聚变反应。1991年11月，JET将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到了3亿摄氏度，约束时间达2秒。反应持续1分钟，产生了1018个聚变反应中子，聚变反应输出功率约1.8兆瓦。1997年9月22日创造了核聚变输出功率12.9兆瓦的新纪录。不久输出功率又提高到16.1兆瓦。在托卡马克上最高输出与输入功率比已达1.25。

我国第一台中型聚变装置——中国环流器一号

中国最大的受控热核反应与等离子体的试验基地——四川乐山“核工业西南物理研究院”在20世纪60年代中期创建。是我国最大的从事受控核聚变和等离子体物理研究以及等离子体应用开发的实验基地，在国际上享有较高的声誉。该院1984年建成的Tokamak装置，中国环流器一号（HL-1）和1994年建成的中国环流器新一号（HL-1M）两个中型托卡马克装置及其实验研究成果，代表了当时我国磁约束聚变实验研究的水平，处于国际上同类型、同规模装置的先进行列。位于合肥的等离子体物理研究所建立一台超导Tokamak，该Tokamak的建成，将使中国拥有世界第三大超导Tokamak，使中国在磁约束聚变方面的研究跨上一个新台阶。2006年，这个命名为“EAST全超导非圆截面托卡马克”的实验装置大部件已安装完毕，进入抽真空降温试验阶段。下图为2006年2月4日拍摄的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置照片。

EAST全超导非圆截面托卡马克

要设计受控热核反应堆，必须考虑这样一些问题：①如何加入原料；②如何提高到足够高的高温；③不能让等离子体流失，或至少不能轻易流失；④如何将反应热取出转变成电能。上面我们只局限在介绍磁约束聚变的磁场的大致情况，也只是考虑了上面的第三条，也就是如何不能让等离子体轻易流失的问题。

等离子体是许多带正电的离子与带负电的电子的集合，它既是一种导体，又是一种流体。因为它是一种导体，变化的磁场引起了感应电场，必然在等离子体中引起电流，这电流又产生了磁场，因而约束等离子体的磁场既有外界电流产生的磁场，还有等离子体中电流产生的磁场，这就比单纯用一些固定的线圈产生某种要求的磁场的问题要复杂得多。它是一种流体，又不是普通的流体，而是在电磁场中运动的能导电的流体，既要服从流体力学的规律，又要服从电磁场的规律。研究导电流体在电磁场中运动的规律，称为电磁流体力学。因此要设计热核反应堆，必须要熟知电磁流体力学的规律。

作为比较稀薄的气体，粒子与电子的单独行为也占很大分量，带电粒子在电磁场中有着各种复杂的行为，设计者必须了解这些行为。

当气体中存在温度梯度时，分子热运动能量就会从温度高的区域向温度低的区域传递，这就是热传导。当气体中存在密度梯度时，气体就要从密度高的区域向密度低的区域扩散。完全电离的气体（即等离子体）也有类似的过程。此外由于粒子是带电的，在一定的条件下粒子的运动会形成电流。这些现象，通称为输运过程。

为了得到受控热核反应，我们必须获得高温等离子体，而且要将高温等离子体约束一足够长的时间。要达到这个目的，除了要保证等离子体的力学平衡与宏观稳定性以外，必须把扩散、热传导、等输运过程引起的粒子与能量损失控制在允许的极限范围内。另外，等离子体电流对约束与加热等离子体也有重要影响。

用磁场约束等离子体来实现受控热核反应，碰到最危险的绊脚石就是不稳定问题。我们知道，要实现热核反应，就需要把等离子体约束一足够长的时间。但由于存在着某种不稳定性，使得等离子体很快就消失了，达不到所要求的时间。因而，要达到受控热核反应，必须从理论上以及实验上对稳定性问题进行深入的探讨。

由于存在着大量的理论与实验上的问题，因而人类要真能造成核聚变反应堆，必须集中全世界的优秀人才来攻克这个难关。

在这里，只用最少的一点物理知识来介绍这个问题，有兴趣加入制造“小太阳”行列的有志青年，必须在老师的指导下，广泛地学习有关知识，这是一个既很有意义也饶有趣味的课题。