新知丨"托卡马克“的前世今生
2016/3/17 中科院之声
托卡马克 | Tokamak
1英雄出世托卡马克的诞生说起托卡马克的诞生，就一定要提到一个人，那就是——苏联”氢弹之父“萨哈洛夫。或许托克马克的发明或许也只是他光辉履历上一份微小的工作，但这份微小的工作却为人类开发未来新能源提供了一个非常有希望的途径。
苏联“氢弹之父” ——萨哈洛夫关于 萨哈洛夫 1921年5月21日萨哈洛夫出生在俄国一个相当殷实的知识分子家庭。1947年，他在26岁时获得了数学物理科学博士学位。1948年萨哈洛夫被吸收为研究制造核武器的成员。虽然他仅仅是一个普通的研究人员，但是在氢弹的整个研制过程中，他的思路起到了决定作用。1953年8月12日苏联的第一枚氢弹试验成功。这种氢弹比美国研制的氢弹更具实战价值，氢弹结构更为轻巧简单，而且更加有效。萨哈洛夫毫无争议地被选为苏联科学院院士，并被誉为“苏联氢弹之父”。
当氢弹研究出来之后，前苏联和美、英等各国就投入到可控核聚变的开发当中。初期出于军事上的考虑，各国一直在互相保密的情况下开展对核聚变的研究。
然而对于几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里一直是困扰人们的难题。各自“奇奇怪怪”的的装置，例如磁镜，直线箍缩，角向箍缩，仿星器等等纷纷被开发出来，但它们在约束等离子体方面都存在着这样那样的问题。
1954年，萨哈洛夫在西伯利亚库尔恰托夫原子能研究所，研制出第一个外形像甜甜圈一样的环形磁约束容器，并把这种装置命名为托卡马克(tokamak)。
托卡马克(TOKAMAK)在俄语中是由“环形”(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)几个词组合而成。
托卡马克位形托卡马克的腾空出世，注定是不平凡的。
1968年8月，在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上产生了1千万度等离子体。这远远超过其他各种装置上的参数。
其他国家对这一结果表示了怀疑。英国科学家团队居然携带装置亲自测量T-3，结果居然发现苏联人果然测“错”了，测出的温度竟然更高。
这个消息不胫而走，一时间托卡马克炙手可热，成了“国际巨星”。各个国家纷纷跟进研究，托卡马克的研究进入了急速发展时代。
2各领风骚托卡马克的发展T-3托卡马克的巨大成功，在国际上掀起了一股托卡马克的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。随着托卡马克的装置越建越大，产生的等离子体温度也越来越高。
20世纪80年代比较著名的托卡马克有：美国的TFTR，欧盟的JET，日本的JT60和苏联的T-15。以上四个装置有“四大金刚”之威名。它们之中，除了T-15由于苏联解体的特殊原因没有成功运行之外，其他装置陆续取得了许多重要成果。
TFTR
JET1993年12月9日和10日，美国在TFTR装置上使用氘、氚各50%的混合燃料，使温度达到3亿至4亿摄氏度，两次实验释放的聚变能分别为0.3万千瓦和0.56万千瓦，大约为JET输出功率的2倍和4倍，能量增益因子Q值达0.28。与JET相比，Q值又得到很大提高。
1997年9月22日，联合欧洲环JET又创造输出功率为1.29万千瓦的世界纪录，能量增益因子Q值达0.60，持续时间2秒。仅过了39天，输出功率又提高到1.61万千瓦，Q值达到0.65。
1997年12月，日本方面宣布，在JT-60上成功进行了氘-氘反应实验，换算到氘-氚反应，Q值可以达到1.00。后来，Q值又超过了1.25。在JT-60U上，还达到了更高的等效能量增益因子，大于1.3,它也是从氘-氘实验得出的结果外推后算出的。
托卡马克具有科学可行性 等离子体温度达4亿度，这一温度不仅大大超过氘氚反应点火的要求，而且已接近了氘氦-3聚变反应堆点火温度， 脉冲聚变输出功率超过16兆瓦，聚变输出功率与外部输入功率之比Q等效值超过1.25。这表明，托卡马克可以实现可控核聚变的科学可行性已经被验证。经过数十年国际磁约束聚变界的共同努力，托卡马克作为受控磁约束核聚变反应堆的科学可行性已得到初步验证。然而，要实现聚变能商业化，仅有科学可行性是不够的，还需要有工程可行性和商用可行性。
下一步必须解决的关键问题和托卡马克聚变反应堆工程可行性与商用可行性密切相关，它涉及到稳态先进托卡马克运行模式以及燃烧等离子体物理这两大科学问题。
前面说的这些结果仅仅持续数秒钟，这么短的时间是不能用于建造电站的。未来的聚变电站要求数亿度的等离子体必须实现稳态运行。
然而常规的托卡马克却很难做到这一点，这是因为用来产生磁场的电流非常大，常规托卡马的磁场线圈不能长时间负荷，无法实现连续运行。于是，科学家将超导技术引入到托卡马克的线圈上。并将这一类托卡马克称为：超导托卡马克。【关于“超导”将在以后的专题中进行介绍】
超导托卡的建立是是可控热核聚变能研究的一项重大突破，它使托卡马克的稳态运行变成可能。托卡马克的研究由此进入了“超导”时代。
3超导时代超导托卡马克的兴起世界第一个超导托卡马克 T-7苏联于上世纪70年代末建造的T-7装置是世界上第一个超导托卡马克装置，它在工程上验证了超导磁体能够在托卡马克上实现连续稳态运行。T-7建成后成功运行了五年，之后停止运行，俄罗斯将人力投入到更大规模的超导托卡马克装置T-15运行上。
此后，法国和日本也建起了自己的超导托卡马克装置。(法国的Tore-Supra，日本的JT-60U)
1990年1月，等离子体所收到库尔恰托夫原子能研究所所长卡托姆采夫院士的来信，信中表示愿将T-7装置赠送给中国。我国由此开始了超导托卡马克的研究发展计划。中国第一个超导托卡马克 HT-7 1991年-1994年，T-7装置及其配套的低温、电源灯系统陆续运到安徽合肥。在俄罗斯专家的帮助下，中科院等离子体对T-7进行了根本性的改造，大大提升了其研究性能。并将装置更名为HT-7。
HT-7的”H“来源于合肥的首字母。因此，HT-7在后来还取了个“合肥超环”的中文名。1993年HT-7建成，使中国成为世界上继俄、法、日之后第四个拥有超导托卡马克的国家。
HT-7HT-7的建成和成功运行使中国在托卡马克相关的超导、低温制冷、强磁场等研究都登上新的台阶。2008年，HT-7实现了长达400s的等离子体放电，这是当时国际同类装置中时间最长的等离子体放电。2012年，HT-7在全面完成预定科学技术目标的背景下，正式退役。
注意，我们讨论到目前，说的超导托卡马克都只是“半超导”。
半超导？什么意思？
就是说，它们基本都只在纵场线圈部分实行了超导，而其他线圈还是用的普通导体材料。
啊？为什么不都做成超导的呀？
一是因为超导的使用工程难度极大，二是因为超导的引入会大大增加投入成本。
但是如果不是全部超导的话，应该会有问题吧？
你说的很对!尽管超导又难又贵，但却是不得不做的。因为未来的聚变堆必须是长时间运行的，这就需要所有的线圈都是超导的。在1990年之前，由于全超导托卡马克工程难度高、投入资金大，国际上尚无建造全超导托卡马克的先例。
而此时的中国，由于国民经济快速发展，已经具备建造这种大科学装置的经济实力，因此在成功建设HT-7超导托卡马克的基础上，中国决心抓住机遇，首开先河，第一个开展全超导托卡马克的建设和研究。托卡马克的研究也由此进入全超导时代。
4中国崛起全超导托卡马克的开创世界第一个全超导托卡马克 EAST1994年，等离子体物理研究所正式提出建设HT-7U全超导托卡马克的计划方案。
项目于1997年6月3日被中央科技领导小组批准，1998年7月8日国家计委批准立项， 2000年10月国家发改委正式批准开工建设。它的设计、研制、加工和安装主要由等离子体所科技人员承担。
为使国内外专家易于发音、便于记忆同时又有确切的科学含义，项目的名称在2003年10月正式由HT-7U改为EAST。2006年，世界上第一个全超导托卡马克EAST成功建成。它的成功建设使中国一跃进入国际核聚变研究领域第一梯队。
EASTEAST建成之后，运行情况良好，并连创佳绩。更于2012年创造了两项托卡马克运行世界纪录。
EAST名字的由来EAST由下面四个英文单词首字母拼写而成： E→ Experimental，实验 A→ Advanced，先进 S→ Superconducting，超导 T → Tokamak，托卡马克翻译成中文就是“实验先进超导托卡马克”的意思。
EAST同时还是英语单词“东方”的意思。因此它的中文名叫——“东方超环”。寓意希望未来的人造太阳可以从东方冉冉升起。
这个名字取得好，我给99分!少一分是怕你们骄傲!
哈哈，谢谢鼓励!后来，法国人借用了这个创意，给他们的装置取名叫WEST(西方)。一东一西，互相呼应!
哈哈，真有意思，这个WEST也是全超导托卡马克吧？
是的，但是目前它还没有完成建设，真正实现运行的全超导托卡马克只有两个。目前世界上在运行的全超导托卡马克只有两个。一个是中国的EAST，一个是韩国的KSTAR。
法国的全超导托卡马克WEST是由原来的“半超导”托卡马克Tore-Supra改造而来。
日本也正在着手将原来的“半超导”托卡马克JT-60U升级为“全超导”的JT-60SA。
韩国 KSTAR
日本 JT-60SA
法国WEST经过数代托卡马克的研究，科学家发现：装置越大，磁场越强，越容易实现聚变反应和获得聚变能源。
这给聚变研究指引了一个方向，人类需要建造更大的托卡马克。因此托卡马克的研究也由此进入“实验堆”时代。
5齐心共力托卡马克实验堆的建造根据研究结果，科学家决定建造更大托卡马克，我们称之为“托卡马克实验堆”。
然而，建造一个小型的托卡马克装置就需要花费不少的资金(数亿-数十亿人民币)，建造一个“实验堆”的投入更是惊人(数百亿-千亿人民币)，这对于任何一个国家来说都是不小的投入。
为了减少资金投入，世界各国决定联合起来，共同投资建造一个实验堆，以期在收获同样的研究成果的同时，减少单个国家的资金投入。
于是，一个大规模的国际合作项目就这样被提出来了。这就是ITER计划。
国际热核试验堆——ITER计划ITER由以下四个英文单词首字母缩写而成。中文叫做“国际热核聚变实验堆”。 I→ International，国际 T→ Thermonuclear，热核 E→ Experimental，实验 R → Reactor，堆
ITERITER是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。缔约国包括欧盟、美国、俄罗斯、中国、日本、韩国、印度七个国家和地区。
ITER计划倡议于1985年，并于1988年开始设计工作。经过十三年努力，耗资15亿美元，于2001年完成工程设计。此后经过五年谈判，ITER计划七方于2006年正式签署联合实施协定，启动实施ITER计划。
ITER签约仪式在ITER建设总投资的50亿美元(1998年值)中，欧盟贡献46%，美、日、俄、中、韩、印各贡献约9%。根据协议，中国贡献中的70%以上由我国制造所约定的ITER部件折算，10%由我国委派的合作人员折算，需支付国际组织的外汇不到20%。
经过各成员国的协商，ITER最终建在法国的卡达拉什(Cadarache)。
ITER建设场地
然而，合作的项目由于牵涉各国各方利益，所以建造的进度并没有预期的那么顺利，目前，ITER的建设完成时间由原定的2016年延迟至2029年，项目资金也已追加至100亿美元。
中国聚变工程实验堆——CFETR中国在参与建设ITER的同时，也在策划建造自己的聚变工程实验堆，一方面可以减小ITER建设延迟对我国聚变研究进度的影响，一方面可以全面消化吸收ITER的技术，达到真正掌握聚变堆相关的物理工程相关技术的目的。
目前，中国的聚变堆还在前期预研阶段，名称暂定为“中国聚变工程实验堆”，英文称为CFETR，来源于以下五个单词的首字母缩写。 C → China，中国 F → Fusion，聚变 E → Engineering，工程 T → Test，实验 R → Reactor，堆
CFETR截至目前，CFETR已确立了装置的科学和工程目标；确定了装置的总体布局和关键参数；在计算和核实工程可行性基础上完成了超导主机详细工程概念设计完成氚工厂，电源等分系统的初步概念设计；一些重要的R&D项目已经启动和取得进展。关于CFETR CFETR的实际上填补了ITER和聚变示范堆(DEMO，下节将介绍)之间的科学技术差距，演示连续大规模聚变能安全、稳定发电的工程可行性，因此称之为“工程实验堆”。与ITER相比它具有以下两点先进性：1、实现稳态或长脉冲“燃烧”等离子体，在其生命周期中要求有效运行时间达到30%-50%(ITER 为4%-5%)；2、在包层中实现氚自持，也就是说未来CFETR能够实现核聚变反应原料“氚”的自给自足，相比于ITER需要人为加入氚向实用化更进一步。
到这里，大家应该对托卡马克的历史和研究进展有了一个初步的了解，接下来，科普君想和大家一起展望一下托卡马克的未来会怎么发展。
6终极梦想托卡马克的未来展望自从诞生之日起，托卡马克就成为核聚变界备受关注的“宠儿”，从某种程度上说它已成为磁约束受控核聚变的代名词。经过几代科研人员的不懈努力，托卡马克的研究经历了从分散到合作、从常规到超导、从小型实验装置到大型实验堆的演化。当然人类对它寄托的期望也是厚重的，希望未来人类的某盏等会被托卡马克发出的“神之火”点亮。
为了和平利用聚变能的早日到来，ITER七方都公开或半公开地公布了各自的核聚变发展路线图。基于现役的托卡马克装置和在建的ITER实验堆，各规划一致认为在聚变实验堆之后并不会立即建造商业聚变电站。而是还需要经历一个聚变示范堆(DEMO)阶段。
DEMO示意图建造DEMO的目的是作为一道最后的验证环节，确保所有的问题都得到解决，确保所有的流程都合乎规范，然后才能建造真正的商业聚变电站。DEMO在英语中是演示的意思，这里代指介于ITER与商业聚变堆之间的验证聚变电站可行性的装置，中文名字为聚变示范堆。它的实施将建立在ITER成功运行的基础上，主要用以实现三大目标：1、大功率净电力输出；2、实现核聚变原料氚的增殖；3、验证建造商业聚变电站所需要的所有技术可以通过工业生产实现。
DEMO是实现磁约束核聚变技术向工业生产过渡的必要阶段。这一阶段仍需要一些时间，所以大家对核聚变的和平利用要有耐心哦!在ITER之后托卡马克的发展将以稳态运行、氚自持、能量交换和大功率净电力输出为重点。同时，托卡马克将走出实验室，并以大型聚变堆的形式向工业化和商用化方向发展。
以中国为例，我国政府和科研工作者已经初步勾勒出我国未来开发聚变能源可能的路线图。前文中提到的CFETR就是其中关键一步，我们将以EAST等现有托卡马克装置为基础，学习ITER的建造和运行经验，来设计和建造自己的工程实验堆、DEMO和商业堆。
中国开发聚变能源可能的线路图和时间表(2012)结束语 在科研工作者的不断努力下，托卡马克也在不断的升级、不断的发展、不断的突破自我。也许在本世纪下半叶我们就能用上来自于聚变电站的能源，而聚变电站心脏正是我们本期的主角——托卡马克。那时我们将彻底告别能源危机和环境污染，那时托卡马克的名字将更加响亮。
来源：中国科学院等离子研究所
http://weixin.100md.com
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