每日科技名词|托卡马克

情毒

托卡马克

Tokamak

又称：环流器

定义：由苏联科学家最早建成，用环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场合成的一种具有磁力线旋转变换和磁面结构嵌套特征的磁场位形，用来约束轴对称环形高温等离子体的磁约束装置。

学科：电力_核电

相关名词：等离子体 核聚变


图片来源：视觉中国

【延伸阅读】

在受控热核聚变反应堆里，需要有容纳1亿摄氏度以上的高温等离子体的容器。由于实际上不存在能够耐受如此高温的材料，所以要设法使高温等离子体悬浮在容器中间，而不与反应堆壁接触。否则，不仅会损伤反应堆，还会使等离子体急剧冷却，导致反应停止。

使高温等离子体悬浮在容器中间的方法之一，就是用磁力去约束等离子体。等离子体里的带电原子核和电子等粒子，具有沿着磁场线运动的性质，大部分核聚变反应堆都基于这个性质，通过产生如笼子一样的磁场线，把等离子体约束在里面。托卡马克装置就是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，它通过两个方向的磁场线的叠加，生成螺旋状磁场线的“笼子”。

首先，将多个圆形的线圈（环向场线圈）排列起来，电流流过这些线圈时，就会产生圆环状的磁场线。此时将等离子体放入其中，等离子体就会沿着这些磁场线转圈移动。这样的装置里，相对于圆环的外缘，在圆环中心线圈之间的距离更近，这就使圆环中心的磁场线密度更高，产生把等离子体向外侧推的力，使等离子体逐渐向外溢出，无法很好地将其约束起来。

为了解决这个问题，再将磁场线扭成螺旋状。这样，对于同一条磁场线来说，在一个地方它处于圆环的中心，在另一个地方它又处于圆环的外缘。于是，沿着这些磁场线运动的电子和原子核，也会交替地从圆环的中心和外缘通过。于是就能消除磁场线疏密的影响，从而防止等离子体溢出。

在托卡马克装置中，为了产生这样的螺旋状磁场线，在圆环的中心设置了线圈（中心螺管），利用电磁感应现象使电流通过等离子体。由此产生的新磁场线，与之前圆环状的磁场线叠加起来，就得到螺旋状的磁场线。约束在这个空间里的等离子体，会由于自身也有电流流过而发热，温度上升。在此基础上，再用高频率电磁波和粒子束加热，温度就能上升到1亿摄氏度，从而发生核聚变反应。

托卡马克装置是苏联科学家于20世纪50年代发明的。国际热核实验堆ITER和中国的东方超环EAST等核聚变装置均采用这种方式。