托卡馬克

托卡馬克^[1][2]（俄語：Токамак，羅馬化：Tokamak）又譯托克馬克，或稱環磁機，是一種利用磁約束來實現磁局限融合的環性容器。達到穩定的電漿均衡（英語：Plasma stability）需要圍繞環面移動的螺旋形狀的磁力線。

此條目的主題是核融合裝置。關於與「托卡馬克」標題相近或相同的條目，請見「托克馬克」。

托卡馬克可變配置（英語：Tokamak à configuration variable）（TCV）的圓形內部，它的牆壁上掛滿了石墨面磚。

MAST典型的電漿。

托卡馬克是磁約束裝置的幾種類型之一，並且是用於生產受控熱核核融合能中的一個最深入研究的候選類型。磁場被用於約束是因為電漿冷卻會使反應停止。而超導托卡馬克可長時間約束電漿。世界上第一個超導托卡馬克為俄制的T-7（托卡馬克7號）。另一種托卡馬克的一種替代方案是仿星器。

托卡馬克最初是由位於蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的物理學家伊戈爾·塔姆，安德烈·沙卡洛夫，和列夫·阿齊莫維齊等人在1950年代發明的。^[3]

詞源

托卡馬克源自俄語單詞токамак，是一個縮寫：它的名字Tokamak來源於環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka）。

環形設計

托卡馬克的磁場和電流。圖中所示的是環形場和產生它的線圈（藍色），電漿電流（紅色）和由它產生的極向場，並且當這些被覆蓋在所得的扭曲場。

托卡馬克的中央是一個環形的真空室（有點像輪胎），外面纏繞著多組一定形態的線圈。真空室內充入一定氣體，在燈絲的熱電子或者微波等預電離手段的作用下，產生少量離子，然後通過感應或者微波、中性束注入等方式，激發並維持一個強大的環形電漿電流。這個電漿電流與外面的線圈電流一起，產生一定的螺旋型磁場，將其中的電漿約束住，並使其與外界儘可能地絕熱。這樣，電漿才能被感應、中性束、離子迴旋共振、電子迴旋共振、低雜波等方式加熱到上億度的高溫，以達到核融合的目的。

相比其他的磁約束受控核融合方式，托卡馬克的優勢地位的建立來源於前蘇聯的T-3托卡馬克的實驗結果。1968年8月在蘇聯新西伯利亞召開的第三屆電漿物理和受控核融合研究國際會議上，列夫·阿齊莫維齊宣布在蘇聯的T-3托卡馬克上實現了電子溫度1 keV，質子溫度0.5 keV，nτ=10¹⁸m^-3.s，這是受控核融合研究的重大突破，在國際上掀起了一股托卡馬克的熱潮，各國相繼建造或改建了一批大型托卡馬克裝置。其中比較著名的有：日本的JT-60，美國普林斯頓大學由仿星器-C改建成的ST Tokamak，美國橡樹嶺國家實驗室的奧爾馬克（Ormark），法國馮克奈-奧-羅茲研究所的TFR Tokamak，英國卡拉姆實驗室的克利奧（Cleo），西德馬克斯-普朗克研究所的Pulsator Tokamak。

托卡馬克裝置

美國80年代的TFTR裝置

20世紀70年代後期到80年代中期，世界各國陸續建成了五個大型的托卡馬克實驗器，他們分別是：

• 1982-1997年: 美國的TFTR（英語：Tokamak_Fusion_Test_Reactor）（Tokamak Fusion Test Reactor，已拆解）。
• 1980年: 通用原子能公司的DIII-D，獲得了目前傳統大環徑比托卡馬克（區別於低環徑比球形）上最高水平電漿比壓值，其創新的D型截面也展示了良好約束效果。
• 1985年: JT-60, 日本茨城縣那珂市（目前正在進行升級到高級型號）
• 1983年: 歐洲的歐洲聯合環狀反應爐（Joint European Torus）
• 1988-2005年:俄國莫斯科庫爾恰托夫研究所T-15（超導線圈一直工作不正常，基本上未獲得太多結果）。

其他

• 中國的先進超導托卡馬克實驗裝置(EAST)（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）
• 中國的球形托卡馬克SUNIST（Sino-UNIted Spherical Tokamak）
• 韓國的超導托卡馬克KSTAR（Korea Superconducting Tokamak Advanced Research）

即將開始的托卡馬克

• 國際熱核融合實驗反應爐（ITER），位於法國卡達拉舍，500MW，於2010年開始建設，有望在2025年產生第一個電漿^[4]。
• DEMOnstration Power Plant，2000 MW、連續運行、連接電網。規劃中的國際熱核融合實驗反應爐（ITER）的接任者；根據初步時間表，建造將在2024年開始。
• 緊湊型聚變能實驗裝置（BEST），位於中國合肥，在建中，預計2027年產生第一個電漿^[5][6]。