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托卡马克磁约束核聚变装置

磁约束核聚变 · 3D 交互式教学演示
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图 例
等离子体
磁力线 / 磁场
真空室
磁场线圈
偏滤器
控制面板
剖面视图
磁场线
自动旋转
部件标注
等离子体温度1.0 亿 ℃
等离子体密度1.0 ×10²⁰ m⁻³
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科普 1托卡马克原理
托卡马克用强磁场把超过 1 亿 ℃ 的等离子体约束在环形真空室内,避免其接触器壁。环向场线圈产生环向磁场,等离子体电流与极向场线圈产生极向磁场,二者合成螺旋形磁力线,等离子体沿磁力线螺旋运动,被稳定"锁"在磁笼中。
科普 2温度数据
太阳核心约 1500 万 ℃,而托卡马克等离子体可达 1.5 亿 ℃,比太阳中心热 10 倍。只有如此高温,氘氚原子核才能克服库仑斥力发生聚变。2021 年中国 EAST 实现 1.2 亿 ℃ 运行 101 秒,2023 年实现高约束模式 403 秒,均创世界纪录。
科普 3代表项目
ITER 国际热核聚变实验堆位于法国南部,由中、美、俄、欧、日、韩、印等 35 国合作建造,目标实现 Q=10 的聚变功率增益,是全球最大的科学工程之一。中国 EAST(东方超环,合肥)是国际领先的托卡马克装置;后续还规划有 CFETR 聚变工程实验堆。
科普 4核心挑战
等离子体不稳定性(如边界局域模 ELM、破裂)可能瞬间释放能量损伤第一壁,需要主动控制与缓解。能量增益因子 Q=聚变输出功率 ÷ 加热输入功率,Q>1 才算净能量产出,ITER 的目标是 Q=10。此外还有氚自持、钨/铍第一壁材料、超导磁体等工程挑战。