（托卡马克技术军用化不就是造氢弹吗）

（注：本wiki部分资料参考了现实生活里中国四川省成都市托卡马克的相关参数及运行原理。现阶段四川省托卡马克暂时仅有科研用途，并未投入民用。）

在鹅山省的世界观中，核工业已经发展到远比现实生活中先进和成熟的高度。部分技术完全转为民用，为人民生活带来了极大的便利。

鹅山省和新权联邦80%以上电能来自于以托卡马克为主的核聚变。

安平市托卡马克由新权联邦嘉文大学和安平核工业大学共同牵头研发制造，著名学者、实业家张嘉文（1874-1961）在生前曾参与该项目的设计。

没有托卡马克，就没有今日鹅山和安平的繁荣。

-张嘉文

随着传统化石能源的日渐式微，清洁和可再生能源的发展得到了全世界的积极相应。其中，被人称之为可以产生近乎无限能源的国际热核聚变反应堆计划（ITER）是当今世界上仅次于ISS的最大科学合作计划，前景令人兴奋。托卡马克建设项目就是该计划在鹅山省和新权联邦的分支计划。

托卡马克，是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈的英文简称。最初是由嘉文大学物理学院以及机械工程学院的科研团队在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

要了解托卡马克的工作原理，我们得先熟悉其结构。

托卡马克包括磁体（环向场磁体及极向场磁体）、真空室及其抽气系统、供电系统、控制系统（装置控制和等离子体控制）、加热与电流驱动系统（中性束和微波）、喷气及弹丸注入系统、偏滤器及孔阑、诊断和数据采集与处理系统、包层系统、氚系统、辐射防护系统、遥控操作与维修系统等部件（子系统）。虽然强磁场能提高约束性能，但受工程技术和材料限制，环向磁场一般为2~8T；为了获取稳定的核聚变能输出，托卡马克聚变堆最终要采用超导磁体（稳态运行要求），为此要增加杜瓦、冷屏和低温制冷系统。为将等离子体加热至需要的温度，大型装置的总加热功率为几十兆瓦，国际热核实验堆装置的加热功率普遍为73~130MW。

了解了托卡马克的结构后，我们还需要知道什么是核聚变，才能对托卡马克有更深的理解。

核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应。核是指由质量小的原子，主要是指氘，在一定条件下（如超高温和高压），只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。这是一种核反应的形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。核聚变是核裂变相反的核反应形式。核聚变燃料可来源于海水和一些轻核，所以核聚变燃料几乎是无穷无尽的。人类可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸；也可以实现可控核聚变，如托卡马克。

具体的实现方式为：

电解水H2O生成H2，通过核裂变产生的高能辐射蒸汽压缩氢气（H2），这时的氢气成为离子状态，辐射蒸汽压缩H，两个H核核聚变生成一个He核，放出巨大的能量。一般在超高温和超高压封闭环境下进行。

一个D（氘）和T（氚）发生聚变反应会产生一个中子，并且释放17.6MeV的能量（两个D（氘）发生聚变反应大约放出14.1MeV能量），中子对于人体和生物都非常危险。其核反应方程式为

好了，在讲完核聚变和托卡马克的结构后，我们可以细说这家伙的工作原理了。

托卡马克是一环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。

在托卡马克装置中，欧姆线圈的电流变化提供产生、建立和维持等离子体电流所需要的伏秒数（变压器原理）；极向场线圈产生的极向磁场控制等离子体截面形状和位置平衡；环向场线圈产生的环向磁场保证等离子体的宏观整体稳定性；环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场一起构成磁力线旋转变换的和磁面结构嵌套的磁场位形来约束等离子体。同时，等离子体电流还对自身进行欧姆加热。等离子体的截面形状可以是圆形，也可以与偏滤器（位于真空室内部的边缘区域，通过产生磁分界面将约束区与边缘区隔离开来，具有排热、控制杂质和排除氦灰等功能的特殊部件）位形结合设计成D形。在托卡马克装置上，已可通过大功率中性束注入加热和微波加热使等离子体达到和超过氘一氚有效燃烧所需的温度(>10K)，最高已达4.4×10K。加大装置尺寸，约束时间大致按尺寸的平方增大。此外，还可通过提高环向磁场、优化约束位形和运行模式来提高能量约束时间。

实验结果表明，托卡马克装置已基本满足建立核聚变反应堆的要求。

（注：开氏温度，即上文中的K，是物理学上关于温度的国际单位，和我们一般所用摄氏温度的换算如下：摄氏温度数值＝开氏温度数值-绝对零度的绝对值）

受控热核聚变在常规托卡马克装置上已经实现。但常规托卡马克装置体积庞大、效率低，突破难度大。上世纪末，科学家们把新兴的超导技术用于托卡马克装置，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。可控热核聚变的演示性的聚变堆已于2000年实现，位于安平市地下的商用聚变堆在2019年建成。商用堆建成之后，新权联邦和鹅山省的科学家还把超导托卡马克装置作为中子源，用于环境保护、科学研究及其它途径。这一行为在不妨碍民用发电是情况下，最大化的利用了托卡马克的科研价值，获得国内外专家较高评价。

相比核裂变，核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。 人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模。托卡马克可以做到合理控制聚变的速度与规模，实现持续、平稳的能量输出。