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磁约束利用洛伦兹力约束等离子体，托卡马克是主流装置。聚变燃料在高温下会被电离成等离子体，其中原子核带正电，电子带负电。磁约束就是利用原子核和电子在磁场中所受到的洛伦兹力来约束等离子体。带电粒子在均匀磁场中受到的洛伦兹力垂直于磁场方向和电荷运动方向，使得带电粒子一方面沿着磁力线做直线运动，另一方面绕着磁力线做旋转运动，最终的结果是带电粒子沿着磁力线做螺旋前进运动。磁约束按照磁力线的形状可分为线性磁约束和环形磁约束，线性磁约束以磁镜为主，环形磁约束包括托卡马克、仿星器等，其中托卡马克是磁约束聚变中的主流装置。

磁镜：结构简单，但粒子损失严重

磁镜是一种两端开放的线性磁约束装置，具有两端磁场强、中间磁场弱的轴对称磁场位形。带电粒子在磁场中沿磁力线朝两端运行时，可以在强磁场的位置发生反射而返回中心区。磁镜的工作原理：一方面，带电粒子沿着磁场方向运动，具有一个平行于磁场的速度；另一方面，带电粒子受洛伦兹力垂直于磁场方向做螺旋运动，具有一个垂直于磁场的速度。由于磁场不会对带电粒子做功，因此带电粒子的总动能守恒。当带电粒子运动到磁场较强的一端时，粒子垂直于磁场方向的速度分量将会变大，而平行于磁场方向的速度分量将会相应地变小，直到完全失去平行方向的速度，从而被磁场反射，朝着弱磁场方向运动。当运动到另一端，又会被反射回来，从而循环反复，实现对带电粒子的约束。

磁镜结构简单/建造成本低，但存在带电粒子损失问题。磁镜的优点在于结构简单，由两个或多个线圈组成，建造成本低，易于构建和维护。其缺点在于线性磁约束存在粒子损失问题，部分纵向速度非常大的带电粒子会越过强磁场区域而损失掉。若粒子速度与磁场之间的角度定义为θ，粒子刚好能被反射回来对应的角度定义为θ0，以θ0 为半顶角作一个圆锥体，即为损失锥，凡是速度方向落在损失锥内的带电粒子都会损失掉。

场反位形装置：等离子体约束性能好，但聚变参数远低于劳森判据场反位形（Field Reversed Configuration, FRC）是一种轴对称紧凑环型的等离子体位形，对等离子体具有良好的约束性能。FRC 等离子体内部具有闭合的磁力线，其磁场方向在等离子体的中心与边缘相反，对等离子体约束性能好。θ箍缩是FRC 等离子体形成的主要方式，其形成过程分为预电离、磁场反向、磁场重联和收缩平衡4 步。首先在真空腔室中通入氘氚气体，外部θ线圈对气体进行周期性放电使气体完全被电离，初始磁场被冻结在等离子体内；随后θ线圈放电提供一个更强的反向磁场，使等离子体产生θ箍缩效应，向半径方向压缩；在此过程中，反向磁场向等离子体内渗透，在放电管两端反向磁力线与等离子体内冻结磁力线重新联结，形成闭合磁力线；最后由于两端磁镜的作用，进一步导致等离子体轴向收缩，最终达到平衡状态。

FRC 装置通常采用“θ箍缩+对碰融合”的方式实现FRC 等离子体形成区与压缩区的分离，从而提高等离子体参数。首先，在装置两端形成区利用θ箍缩产生初始FRC（场反位形）等离子体；然后，通过两端的等离子体枪将FRC 等离子体相对发射进入压缩区进行对碰、融合，等离子体的动能大部分转化为热能，提高等离子体的参数；最后，进一步加热压缩等离子体实现聚变。目前主流的FRC 装置，包括Helion Energy 的Trenta 装置、TAETechnologies 的C-2 系列装置以及中国科学技术大学自主设计建造的KMAX 装置均采用这种方式。

托卡马克：技术最为成熟，有望率先实现受控核聚变

托卡马克是利用磁场来约束高温等离子体的环形聚变实验设备。20 世纪50 年代，苏联科学家提出“托卡马克”（Tokamak）磁约束核聚变装置，它的名字由俄文中环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka）四个词的前几个字母组成。托卡马克通过环向场线圈、中心螺管线圈和极向场线圈构成的磁体系统在环形真空室中构造出一个闭合的螺旋形磁场，实现对高温等离子体的约束，使得聚变燃料在真空室中发生聚变反应。

苏联T-3 装置首次实现聚变能量输出，掀起托卡马克研究热潮。1968 年苏联T-3 托卡马克首次实现核聚变能量输出，等离子体电子温度达到1KeV，离子温度达到0.5KeV，等离子体密度和等离子体约束时间的乘积nτ=1018s/m3，等离子体约束时间长达几毫秒，Q 值为十亿分之一。T-3 装置在可控核聚变研究的重大突破，掀起世界范围内托卡马克的研究热潮。普林斯顿实验室将仿星器-c 改造成了ST 托卡马克；法国冯克奈-奥罗兹研究所建造TFR 托卡马克；西德马克思-普朗克研究所建造Pulsator 托卡马克；日本原子能研究所建造JFT-Ⅱ托卡马克。

90 年代欧美实现氘氚聚变反应，最高等效Q 值1.25 由日本实现。TFTR、JET 和JT-60 并称为世界三大托卡马克装置。TFTR 是美国于1982 年建成并投入运行的全球首个大型托卡马克装置。1993 年12 月9 日，TFTR 使用1:1 氘氚混合燃料进行放电试验，Q 值达到0.28；JET 是欧洲最大的核聚变合作项目，于1991 年首次进行氘氚聚变实验，实现人类历史上首次核聚变功率输出。2023 年12 月，JET 用0.2mg 燃料在5.2 秒内产生了69MJ 的能量；JT-60 是日本于1985 投入运行的托卡马克装置，由于日本是二战战败国，禁止使用氚，因此JT-60 开展的聚变实验是氘氘反应。JT-60U 由JT-60 升级改造而来，1998 年6 月25 日，首次实现能量净输出，等效Q 值达到1.25。

中国建成世界首个全超导托卡马克装置EAST，403 秒高约束模等离子体运行创造世界纪录。EAST 由苏联T-7 超导托卡马克改装而来，是由我国设计建造的国际上第一个建成并投入运行的全超导托卡马克核聚变实验装置，其磁体系统全部采用超导磁体。EAST 装置具有三大科学目标：1MA 等离子体电流、1 亿摄氏度高温等离子体和1000 秒运行时间。EAST于2010 年运行1MA 等离子体电流，2021 年5 月28 日实现可重复的101 秒1.2 亿摄氏度和20 秒1.6 亿摄氏度等离子体运行，2021 年12 月30 日实现1056 秒长脉冲高参数等离子体运行，三大科学目标分别独立完成。2023 年4 月12 日EAST 实现高功率稳定的403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，创造托卡马克装置稳态高约束模运行新的世界纪录。

托卡马克由五大主体结构组成，磁体系统是核心部件

托卡马克的结构从内到外依次是包层模块-真空室-冷屏-磁体系统-冷屏-真空杜瓦。托卡马克的主要装置包括磁体系统、真空室、包层模块、偏滤器、冷屏和外真空杜瓦以及支持系统。托卡马克通过磁体系统的三组线圈产生螺旋形磁场约束等离子体。聚变反应需要在真空环境内发生，为此设置真空室，同时真空室还起到支撑结构的作用。由于真空室的材料和结构难以承受聚变反应的高温以及中子辐照，因此在真空室内侧设置包层模块实现热屏蔽和辐射屏蔽。此外，反应过程产生的杂质会影响等离子体的稳定运行，因此在装置的底部装有一圈偏滤器，用于排出杂质、氦灰。最后，在装置的最外侧装有真空杜瓦，在超导磁体和真空室、真空杜瓦之间设置冷屏，以保证装置内部部件在工作温度运行。