托卡马克聚变装置

一亿五千万度

ITER 的等离子体中心要达到约 1.5 亿摄氏度。太阳核心约 1500 万度，这里是它的十倍。

换成等离子体物理常用的单位，约 13 千电子伏。到这个温度，原子早已没有电子，只剩原子核和电子各自飞行。

约 1.5 亿 °C ≈ 13 keV · 太阳核心约 1500 万 °C

17.6 兆电子伏

燃料是氢的两种同位素：氘（一个质子一个中子）和氚（一个质子两个中子）。两者聚变，生成一个氦核（α 粒子）和一个中子，放出 17.6 兆电子伏。

动量守恒决定了分配：轻的中子拿走约八成，14.1 兆电子伏；α 粒子拿 3.5 兆电子伏。

α 粒子带电，被磁场留在等离子体里，把能量交给周围的燃料。中子不带电，直穿出去，在包层里停下，变成热。

D + T → ⁴He（3.5 MeV）+ n（14.1 MeV）

密度、温度、时间

太阳靠引力把核心压到每立方厘米约 150 克，几十亿年慢慢烧。地上的装置没有这样的密度和时间，只能把温度提得更高。

能不能自己烧下去，看三个数的乘积：密度 n、温度 T、能量约束时间 τE。对氘氚，点火大约要 n·T·τE ≥ 3 × 10²¹ keV·s/m³。

ITER 的设计是密度约每立方米 10²⁰ 个粒子，比空气稀二十多万倍，温度约 10 千电子伏，约束时间约 3 到 4 秒。

n·T·τE ≥ 3 × 10²¹ keV·s·m⁻³（D–T，约 14 keV）

绕着磁力线转

带电粒子在磁场里绕磁力线转圈，同时沿磁力线滑行，走出一条螺旋线。圈的半径 r = mv⊥/(qB)，转的频率 ω = qB/m。

在 ITER 的 5.3 特斯拉里，10 千电子伏的氘核半径约 4 毫米，每秒转约 4000 万圈；电子的半径只有约 0.06 毫米。

垂直于磁场，粒子跑不远；沿着磁场却畅通无阻。一根直的螺线管两端是开口，粒子顺着磁力线就从两头漏了出去。

r = mv⊥ / (qB) · ω = qB / m · 图中半径放大了许多倍

弯成环，又会漂走

把螺线管弯成一个环，磁力线首尾相接，没有了两端。

但环里的磁场内侧强、外侧弱，磁力线又是弯的。粒子每转一圈，半径在外侧大、内侧小，于是整体慢慢上下漂移：离子朝一边，电子朝另一边。

正负电荷分开，产生一个上下方向的电场。电场和磁场一起，把离子和电子都推向环的外侧，撞到壁上。

只有环向磁场：离子与电子上下分开，再一起向外漂

让磁力线拧起来

办法是在等离子体里通一股大电流。ITER 的设计值是 1500 万安。电流自己产生绕着截面方向的磁场，叫极向场。

环向场加上极向场，磁力线变成螺旋，绕着环走的同时也绕着截面转。粒子沿磁力线走，一会儿在上面，一会儿在下面，漂移抵消了，于是留在里面。

磁力线绕长路几圈才绕短路一圈，叫安全因子 q。ITER 在边缘附近 q 约为 3。电流越大，拧得越紧，q 越小。

环向场 + 极向场 = 螺旋磁力线 · ITER q95 ≈ 3（15 MA）

剖开：一层套一层

从里往外：等离子体、包层、双层的真空室、银色的热屏蔽、十八个 D 形的环向场线圈，中间竖着中心螺线管，外面是六个极向场线圈，最外面是低温恒温器。

ITER 的真空室外径 19.4 米、高 11.4 米，约 5200 吨；低温恒温器直径 29.4 米、高 29 米。整台托卡马克约 23000 吨。底座旁边的小人是 1.75 米。

真空室 19.4 × 11.4 m · 低温恒温器 29.4 × 29 m · 整机约 23000 t

零下 269 度的线圈

十八个环向场线圈用铌三锡超导线绕成，每个高 17 米、宽 9 米，最大场强 11.8 特斯拉，总共储存约 41 吉焦的磁能。剖面上能看到钢制外壳里一圈圈的导线。

中心螺线管由六个模块叠成，也是铌三锡，场强 13 特斯拉。它的电流一变，就像变压器的初级线圈，在等离子体这个“次级”里感应出电流。六个极向场线圈用铌钛，最大直径 24 米，负责塑造和稳住等离子体的形状。

所有超导线圈都用约 4 开（−269 °C）的超临界氦冷却。磁共振成像仪的主磁体是同一类技术，只是小得多。

环向场 18 个 · Nb₃Sn · 11.8 T · 中心螺线管 13 T · 约 4 K

看得见的边缘

照片里的等离子体泛着粉紫色的光。这光主要来自比较冷的边缘：那里还有氢原子，被撞得发光，红色的 Hα 线最强，混上蓝紫色的谱线，看上去是粉色。

中心太热，原子全被电离，几乎不发可见光，主要放出 X 射线。所以模型里的光只在边缘和底部。

可见光来自较冷的边缘 · 核心几乎看不见

包层与偏滤器

真空室内壁挂着 440 块包层模块，每块约 1 × 1.5 米，最重 4.6 吨。它们挡住中子，保护后面的真空室和线圈。2023 年起，ITER 的第一壁材料由铍改为钨。

未来的电站要在包层里用中子和锂生成氚。ITER 的包层只做屏蔽，造氚只在几块试验模块里测试。

底部是偏滤器，54 个钨装甲的盒子。等离子体边缘的粒子顺着磁力线被引到这里，靶板稳态要承受每平方米 10 兆瓦的热流。ITER 把它比作航天器再入大气层时的十倍。火箭发动机喷管喉部的热流还要高，约每平方米 130 到 160 兆瓦，但偏滤器要在 400 秒的放电里一次次扛住，还要挨中子轰击。

包层 440 块 · 偏滤器 54 盒 · 靶板 10 MW/m²（稳态）

加热

等离子体电流本身会加热，但温度越高，电阻越小，这种加热就不够了。要到 1.5 亿度，还得从外面加热。

中性束：按设计把氘离子加速到约 1 兆电子伏，中和成原子，射进磁场，再在等离子体里电离、碰撞，把能量交出去。ITER 设计了两台，各 16.5 兆瓦。

射频：离子回旋加热用 40 到 55 兆赫，正好对上氘核在 5.3 特斯拉里约 40 兆赫的回旋频率；电子回旋加热用 170 吉赫，电子每特斯拉约 28 吉赫。

中性束 2 × 16.5 MW · 离子回旋 40–55 MHz · 电子回旋 170 GHz

现在到了哪里

增益 Q 是聚变功率除以送进等离子体的加热功率。Q = 1 叫科学得失相当。ITER 的目标是 Q ≥ 10：用 50 兆瓦加热，得到 500 兆瓦聚变功率，持续 400 秒。

欧洲的 JET 在 1997 年达到 16 兆瓦峰值，Q 约 0.6；2023 年秋最后一轮氘氚实验里，一次放电约 5 秒放出 69 兆焦，用了 0.2 毫克燃料，是能量纪录。JET 在 2023 年底停止运行。

ITER 在 2024 年公布新基线：2034 年开始研究运行，2036 年达到满磁能，2039 年起进入氘氚运行。到 2026 年 7 月，九段真空室模块已有六段装进了坑里。

工程增益是另一回事：发出的电减去用掉的电，再除以用掉的电。ITER 不发电。美国 NIF 用激光，2025 年一次放出 8.6 兆焦，是打到靶上激光能量的四倍多，但那台激光要从电网取 300 到 400 兆焦。

Q = P聚变 / P加热 · ITER 目标 Q ≥ 10 · JET 69 MJ（2023）

拆开来看

各部分分开：中心螺线管升起，极向场线圈、真空室和包层依次抬高，偏滤器留在底部，环向场线圈张开。

指针停在哪一部分上，那部分就被单独托出来，标出名字。