裝置部件
托卡馬克受控熱核聚變在常規托卡馬克裝置上已經實現。但常規托卡馬克裝置體積龐大、效率低，突破難度大。上世紀末，科學家們把新興的超導技術用於托卡馬克裝置，使基礎理論研究和系統運行參數得到很大提高。據科學家估計，可控熱核聚變的演示性的聚變堆將於2025年實現，商用聚變堆將於2040年建成。商用堆建成之前，中國科學家還設計把超導托卡馬克裝置作為中子源，用於環境保護、科學研究及其它途徑。這一構想獲得國內外專家較高評價。
包括磁體（環向場磁體及極向場磁體）、真空室及其抽氣系統、供電系統、控制系統（裝置控制和電漿控制）、加熱與電流驅動系統（中性束和微波）、噴氣及彈丸注入系統、偏濾器及孔闌、診斷和數據採集與處理系統、包層系統、氚系統、輻射防護系統、遙控操作與維修系統等部件（子系統）。雖然強磁場能提高約束性能，但受工程技術和材料限制，環向磁場一般為2~8T；為了獲取穩定的核聚變能輸出，托卡馬克聚變堆最終要採用超導磁體（穩態運行要求），為此要增加杜瓦、冷屏和低溫製冷系統。為將電漿加熱至需要的溫度，大型裝置的總加熱功率為幾十兆瓦，國際熱核實驗堆裝置的加熱功率為73~130MW。
核聚變簡介
核聚變（nuclearfusion），又稱核融合、融合反應或聚變反應核是指由質量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），只有在極高的溫度和壓力下才能讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核（如氦），中子雖然質量比較大，但是由於中子不帶電，因此也能夠在這個碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來，大量電子和中子的釋放所表現出來的就是巨大的能量釋放。這是一種核反應的形式。原子核中蘊藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。核聚變是核裂變相反的核反應形式。科學家正在努力研究可控核聚變，核聚變可能成為未來的能量來源。
核聚變的過程與核裂變相反，是幾個原子核聚合成一個原子核的過程。只有較輕的原子核才能發生核聚變，比如氫的同位素氘（dāo）、氚（chuān）等。核聚變也會放出巨大的能量，而且比核裂變放出的能量更大。太陽內部連續進行著氫聚變成氦過程，它的光和熱就是由核聚變產生的。
相比核裂變，核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環境問題，而且其原料可直接取自海水中的氘，來源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。人類已經可以實現不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規模，實現持續、平穩的能量輸出。科學家正努力研究如何控制核聚變。
結構原理
托卡馬克內部能量約束時間。實驗結果表明，托卡馬克裝置已基本滿足建立核聚變反應堆的要求。
各國概況
托卡馬克相比其他方式的受控核聚變，托卡馬克擁有不少優勢。1968年8月在蘇聯新西伯利亞召開的第三屆電漿物理和受控核聚變研究國際會議上，阿齊莫維齊宣布在蘇聯的T-3托卡馬克上實現了電子溫度1keV，質子溫度0.5keV，nτ=10的18次方m-3.s，這是受控核聚變研究的重大突破，在國際上掀起了一股托卡馬克的熱潮，各國相繼建造或改建了一批大型托卡馬克裝置。其中比較著名的有：美國普林斯頓大學由仿星器-C改建成的ST Tokamak，美國橡樹嶺國家實驗室的奧爾馬克，法國馮克奈-奧-羅茲研究所的TFR Tokamak，英國卡拉姆實驗室的克利奧（Cleo），西德馬克斯-普朗克研究所的Pulsator Tokamak。
2006年9月28日，中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設計、自主建造而成的新一代熱核聚變裝置EAST首次成功完成放電實驗，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫電漿放電。EAST成為世界上第一個建成並真正運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置。
研究歷程
成長過程
二十世紀後半葉，各種類型的核電站在世界範圍內得到了異常迅速的發展。它們的原理都一樣，利用鈾等大原子量的重元素原子核的裂變，釋放出巨大的能量，這就是人們所說的重核裂變，簡稱核裂變。然而，事實上在元素按原子量大小排列的另一端，小原子量的輕元素氫的原子核的聚合，也會產生巨大的能量。在氫原子核的聚合中，又以它的同位素氘和氚的原子核的聚合最容易實現。它被稱為輕核聚變，簡稱核聚變。
理想的新能源
早在1933年，即發現核裂變現象五年前，人類就發現了核聚變。雖然核裂變比核聚變發現得晚，但是很快就實現了核裂變爆炸。隨著受控核裂變發電獲得成功，世界範圍內大規模核電站建設迅速展開，並投入商業運行。
在核聚變實現後，同樣，人們也試圖能和平利用受控核聚變，如建立受控核聚變發電廠。與利用核裂變發電相比，利用受控核聚變的能量來發電具有許多優 點：一是理論和實踐都證明，核聚變比核裂變釋放出的能量要大得多;二是資源蘊藏豐富，作為重核裂變主要原料的燃料鈾，目前探明的儲量僅夠使用約一百年，而 輕核聚變用的燃料氘在海水中儲藏豐富，1升海水可提取30毫克氘，通過聚變反應能釋放出相當於300公升汽油的能量。可謂取之不盡，用之不竭;三是成本低，1公斤濃縮鈾的成本約為1.2萬美元，而1公斤氘僅需300美元;四是安全可靠，萬一發生事故，反應堆會自動冷卻而停止反應，不會產生放射性污染物， 不會發生爆炸事故。
但是，人類發現核裂變半個多世紀過去了，受控核聚變的研究進展緩慢，與受控核裂變的研究情況不同，受控核聚變至今還沒有實現可利用的能量輸出。
對其認識
受控核聚變研究舉步維艱，根本原因是輕元素原子核的聚合遠比重元素原子核的分裂困難。原子核之間的吸引力是很大的，但原子核都帶正電，又互相排斥， 只有當兩個原子核之間的距離非常接近，大約相距只有萬億分之三毫米時，它們的吸引力才大於靜電斥力，兩個原子核才可能聚合到一起同時放出巨大的能量。因 此，首先必須使聚變物質處於等離子狀態，讓它們的原子核完全裸露出來。然而，兩個帶正電的原子核越互相接近，它們之間的靜電斥力也越大。只有當帶正電的原子核達到足夠高的動能時，這需要幾千萬甚至幾億攝氏度的高溫(10^8開爾文)，它們的碰撞才有機會使它們非常接近，以致產生聚合。
1933年，人們用加速器使原子核獲得所需的動能，在實驗室實現了核聚變。可是從這樣的核聚變中得到的能量比加速器消耗的能量要小得多，根本無法獲 得增益的能量。1952年，美國用核子彈爆炸的方法產生高溫，第一次實現了大量氘、氚材料的核聚變。但這種方法的效果是，在極短時間內使核聚變釋放出巨大 能量，產生強烈爆炸，即氫彈爆炸。人類要和平利用核聚變，必須是可以控制的聚變過程。核聚變反應比較切實可行的控制辦法是，通過控制核聚變燃料的加入速度 及每一次的加入量，使核聚變反應按一定的規模連續或有節奏地進行。因此，核聚變裝置中的氣體密度要很低，只能相當於常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一。另 外，對能量的約束要有足夠長的時間。
二戰末期，前蘇聯和美、英各國曾出於軍事上的考慮，一直在互相保密的情況下開展對核聚變的研究。幾千萬、幾億攝氏度高溫的聚變物質裝在什麼容器里一 直是困擾人們的難題。二十世紀五十年代初期，前蘇聯科學家提出托卡馬克的概念。托卡馬克( T OKAMAK)在俄語中是由“環形”、“真空”、“磁”、 “線圈”幾個詞組合而成，這是一種形如麵包(多納)圈的環流器，依靠電漿電流和環形線圈產生的強磁場，將極高溫等離子狀態的聚變物質約束在環形容器 里，以此來實現聚變反應。
1954年，第一個托卡馬克裝置在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所建成。當人們提出這種磁約束的概念後，磁約束核聚變研究在一些方面的進展順利，氫彈 又迅速試驗成功，這曾使不少國家的核科學家一度對受控核聚變抱有過分樂觀的態度。但人們很快發現，約束電漿的磁場，雖然不怕高溫，卻很不穩定。另外， 電漿在加熱過程中能量也不斷損失。經過了二十多年的努力，遠未達到當初的樂觀期望，理論上估計的電漿約束時間與實驗結果相差甚遠。人們開始認識到 核聚變問題的複雜和研究的艱難。在這種情況下，蘇、美等國感到保密不利於研究的進展，只有開展國際學術交流，才能推進核聚變的深入研究。另外，磁約束核聚 變與熱核武器在科學技術上沒有重大的重疊，而且其商業套用的競爭為時尚早。於是，1958年秋在日內瓦舉行的第二屆和平利用原子能國際會議上達成協定，各國互相公開研究計畫，並在會上展示了各種核聚變實驗裝置。自這次會議後，研究重點轉向高溫電漿的基礎問題，從二十世紀六十年代中到七十年代，各國先後 建成了很多實驗裝置，核聚變研究進入了一個新的高潮期，人們逐漸了解影響磁約束及造成能量損失的各種機理，摸索出克服這種不穩定性及能量損失的對策。隨著核聚變研究的進展，人們對受控核聚變越來越有信心。
有合作有單打
在半個多世紀的核聚變研究中，可以說人們對五花八門的構想都進行了原理性探索，最終匯集到大致沿著慣性約束和磁約束兩種途徑前進，其中，托卡馬克類 型的磁約束研究又領先於其它途徑，在技術上最成熟，進展也最快。在托卡馬克裝置上努力提高能量增益因子，即提高輸出功率與輸入功率之比一直是核聚變研究的 重點目標之一。直到1970年，前蘇聯在托卡馬克裝置 T-3上，才有可以察覺到的核聚變能量輸出，能量增益因子 Q值為十億分之一。從二十世紀七十年代 末開始，美、歐、日、蘇開始建造四個大型托卡馬克，即美國的托卡馬克聚變實驗反應器TFTR，歐洲建在英國的歐洲聯合環 J ET，日本的JT-60 和原蘇聯的 T-20(後來因經費及技術原因改為較小的 T-15,採用超導磁體)，它們是後來在磁約束聚變研究中做出了決定性貢獻的四個裝置。其中，有 的反應器把能量增益因子 Q值提高到0.2,比十年前增加了兩億倍。
在和平利用核聚變的不懈探索中，理論研究和實驗技術上遇到了一個又一個難題，進一步開展廣泛國際合作是加速實現核聚變能利用的明智選擇。1985 年，美國里根總統和前蘇聯戈巴契夫總統，在一次首腦會議上倡議開展一個核聚變研究的國際合作計畫，要求“在核聚變能方面進行最廣泛的切實可行的國際合 作”。後來戈巴契夫、里根和法國總統密特朗又進行了幾次高層會晤，支持在國際原子能機構( I AEA)主持下，進行國際熱核實驗堆( I TER)概念設計和輔助研究開發方面的合作。這是當時也是當前開展核聚變研究的最重大的國際科學和技術合作工程項目。1987年春，IAEA總幹事邀請歐共體、日本、美國和加拿大、前蘇聯的代表在維也納開會，討論加強核聚變研究的國際合作問題，並達成了協定，四方合作設計建造國際熱核實驗堆。
國際熱核實驗堆是一個基於托卡馬克方案的項目，主要目的是實現氘-氚燃料點火併持續燃燒，最終實現氘-氚燃料的穩定燃燒;證明利用核聚變發電是安全 的，也不污染環境;另外也進行核聚變工藝技術一體化實驗。由於氘-氚燃料點火的需要，這個實驗堆要建得相當大，當時設定的指標是，環形管的大環半徑8米， 管的半徑3米，估計將產生熱功率150萬千瓦、電漿電流達2400萬安培，燃燒時間可達16分鐘，預計2010年建成，計畫投資達80億美元。未來發 展計畫包括一座原型聚變堆，在2025年前投入運行。如果 I TER獲得成功，下一個目標是建造一座示範核聚變堆，並在2040年前投入運行。2050 年以後有望開發商用核聚變堆。
在國際原子能機構的支持下，合作四方在1988年-1990年期間完成了國際熱核試驗堆的概念設計，1991年轉入工程設計階段。國際熱核實驗堆計畫的經費由四方負擔，但隨著前蘇聯的解體，合作四方中的蘇方由俄羅斯接替，這一計畫的進展受到了很大影響。
美、歐、日、俄在參與 I TER工作同時，還安排了自己的核聚變研究。歐共體在進行自己的實驗堆 J ET的設計和執行法國 的 T ore- Supra計畫，美國利用大型托卡馬克聚變試驗反應器 D III-D及TFTR，日本利用JT-60和JT-60U聚變試驗反應器， 都深入開展了各自的實驗研究。此外，在其他一些國家，如印度、巴西、伊朗、韓國等都有自己核聚變研究計畫，也力爭在核聚變開發研究中占有一定的位置。目前 全世界已有30多個國家及地區開展了核聚變研究，運行的托卡馬克裝置至少有幾十個。
中國在1956年制定的“十二年科學規劃”中決定開展核聚變研究，經過不懈努力，到二十世紀八十年代，建成了中國環流器一號 HL-1以及 HT-6B、HT-6M等一批有影響的聚變研究實驗裝置。進入九十年代，又把 HL-1改建成中國環流新一號 HL-1M，其參數達到國際上同類型同規模 裝置的先進水平。隨著第一個超導托卡馬克 HT-7實驗裝置的建成，中國成為繼俄、法、日之後第四個擁有超導托卡馬克裝置的國家，為在核聚變研究領域進入 世界前沿打下了堅實的基礎。
新進展新希望
經過九年的努力，2001年6月終於圓滿完成了國際熱核聚變試驗反應堆工程的設計活動。新的設計調整了最初的工程投資和建造規模，計畫投資減少到 32億美元，環形管的大環半徑縮小到6米，管道半徑縮小到2.15米，參數降低為電漿電流2200萬安培，燃燒時間7分鐘。2001年11月，為共同 實施國際熱核聚變試驗反應堆，參加四方在加拿大召開了政府間第一次磋商會。2002年1月23日在東京召開了第二次政府間磋商會，討論了協定草案、選址程 序、急需採購的設備及採購計畫，以及實施的過渡安排等，另外，還確定了國際熱核聚變試驗反應堆實施的法人實體。
到目前為止，法國和加拿大政府都已表示願意把國際熱核聚變實驗反應堆建在自己國家。日本經過幾年的考慮和討論，也決定力爭把國際熱核聚變實驗反應堆 建在日本國內，並且把北海道的苫小牧、青森縣的六所村和茨城縣的那珂町三處作為候選地點。日本甚至表示，如果裝置建在日本，日本願意出70%的經費。現在 的參加四方都希望美國能重新加入 I TER計畫。
歐共體、日本、加拿大、俄羅斯各參加方現在正醞釀共同實現 I TER的建造，他們正在進行與廠址有關的技術設計工作。廠址和資金分配問題確定以 後，I TER的建造就可以馬上確定，如果決定建造的話，開工時間為2006年。ITER的建造周期需要十年，預計可以運行二十年。
EAST實現核聚變和平利用無疑是人類將最終解決能源問題的希望。人類探索核聚變這種新能源的努力將會繼續下去，世界各國的總投入仍將上升，探索的步伐也將加快，這是人類面臨的共同的能源總體需求所確定的。今後幾十年內，我們如果解決核聚變反應堆的物理工程問題，讓第一個核聚變反應堆發出的強大電能輸入電網，一個嶄新的和平利用核能的新世紀即可宣布開始了。
2016年10月，美國麻省理工學院科學家在阿爾卡特C-Mod（AlcatorC-Mod）托卡馬克聚變反應堆實驗中創造出新的世界紀錄，電漿壓強首次超過了兩個大氣壓。鑒於高壓電漿是實現可控核聚變的關鍵因素，這意味著人類距獲得“取之不盡用之不竭”的清潔能源又近一步。
2019年3月4日，中國環流器二號M裝置預計今年建成，為“人造太陽”創造條件。
現狀及前景
歐洲聯合環JET裝置結構簡圖實驗研究還發現多種改善約束的模式，根據這些模式，托卡馬克型核聚變反應堆的經濟性能還可以進一步提高。基於50多年來在電漿理論、物理實驗研究和工程技術上取得的重大進展，由七方共同參與的超大型國際合作項目國際熱核實驗堆（ITER）計畫已經進入工程建造階段。
鋼鐵俠中
托卡馬克