聚变知识书 › 第 02 章 · 磁约束与托卡马克
磁约束与托卡马克
磁场"磁笼"如何关住上亿度等离子体，装置每一部分在干什么
本章要点：托卡马克 = 环形磁场"磁笼"；三种磁体（TF/CS/PF）分工协作；"运行尖端"是把等离子体电流、密度、形状与纯度长时间稳定控制住。
2.1磁场为什么能约束等离子体
带电粒子在磁场中受洛伦兹力，会绕着磁力线做回旋运动（拉莫尔回旋），像珠子被串在线上。磁场越强，回旋半径越小——粒子被"绑"得越紧。把磁力线弯成环，粒子就能沿磁面无限绕行，不接触任何器壁，这就是"磁笼"。
纯环形磁场存在漂移损失，因此托卡马克用等离子体电流自己产生的极向磁场与环向磁场合成螺旋磁面，把粒子"缝"进环里。
2.2托卡马克结构解剖
| 部件 | 作用 | 供应链意义 |
|---|---|---|
| 环向场线圈 TF | 产生主约束磁场（ITER 峰值 ~11–12 T 量级） | 超导带材/磁体绕制，单堆价值量最大 |
| 中心螺线管 CS | 像变压器一样感应驱动等离子体电流 | 高应力电磁部件 |
| 极向场线圈 PF | 控制等离子体形状与位置 | 快控电源与线圈 |
| 真空室（双壁） | 高真空隔离 + 承载包层 | 特种钢/精密焊接 |
| 增殖包层 | 吸收中子产热 + 产氚 | 锂铅/陶瓷工艺，商用堆必备 |
| 偏滤器 | 排出热量与氦灰（最严苛热流区） | 钨材、遥操作维护 |
2.3等离子体电流与偏滤器位形
等离子体电流由 CS 感应驱动（像变压器副边）。电流带来自约束，但也带来失稳风险；当代装置用偏滤器位形：把磁面在底部形成 X 点，让边缘磁力线把热量和杂质导入专门的靶板，而不是打到主壁。
2.4约束模式与不稳定性
等离子体有多重失稳模式（如边缘局域模 ELM、撕裂模等）。1990 年代发现的 H 模（高约束模式）把约束时间提高约一倍，是 ITER 设计基础。运行聚变堆约等于"同时控制一个超高速旋转的电磁流体 + 一堆相互耦合的失稳"，这也是诊断、实时控制与 AI 控制开始发挥价值的地方。
2.5从 EAST 到 ITER / BEST / SPARC
中国序列：EAST（合肥，全超导托卡马克，长脉冲纪录创造者）→ BEST（合肥，紧凑型演示装置，目标验证发电相关技术，进度以官方发布为准）→ 未来 CFETR/CFEDR（中国聚变工程实验堆概念）。国际：ITER（35 国合作，目标 Q=10）与商业公司 SPARC（CFS，全高温超导紧凑托卡马克，目标 Q>2、以官方发布为准）。可在本站项目地图查看全球装置分布。