什么是球形托卡马克？从等离子体的形状，看通往核聚变发电的道路

在核聚变发电研究中，将作为燃料的等离子体“约束成什么形状”，会影响装置的性能和大小。其中，球形托卡马克产生的等离子体中央孔洞较小，整体形状更为圆鼓。

英国Tokamak Energy开发的ST40和英国研究装置MAST Upgrade都采用了这种构型。这一路线也与英国旨在建设聚变电站的STEP计划相衔接。

为什么改变形状能够成为迈向发电的一步？让我们先从等离子体的形态看起。

常规托卡马克中的等离子体呈甜甜圈般的环形。球形托卡马克的形状，就像把这个环加粗，同时缩小中央的孔洞。由于它在竖直方向上也有所拉长，从侧面看，类似一颗去核的苹果。

需要注意的是，球形托卡马克依然是中央有孔的“环”，并不是把等离子体装进一个没有空洞的球体中。此外，“球形”主要描述的是等离子体的形状，而不是建筑物或真空容器的外观。

用数值描述这一差异的参数是环径比。将装置中心轴到等离子体环中心的距离定义为大半径R，将等离子体截面水平方向的半宽定义为小半径a，则环径比为A＝R/a。常规托卡马克的A值通常在3左右，而球形托卡马克大致低于2。

例如，R为3、a为1时，A为3；R为1.5、a为1时，A为1.5。后者相对于环的粗细，中央孔洞更小。这个“小孔洞”，与等离子体的性质和装置的设计密切相关。

要发生核聚变，必须将燃料加热到极高的温度。在这种状态下，原子分离为电子和离子，成为带电粒子高速运动的等离子体。如果持续直接接触容器壁，热量就会流失，因此需要利用磁场将其约束起来。

带电粒子会绕着磁力线做螺旋运动。不过，仅沿环的方向产生单一方向的磁场，并不足以实现有效约束。托卡马克将环绕装置一周方向的磁场，与绕等离子体截面方向的磁场相结合，使磁力线发生扭转。

为此，需要使用布置在外侧的线圈，以及在等离子体自身中流动的电流。产生沿环方向磁场的是环向场线圈，调节等离子体位置和形状的是极向场线圈。再加上等离子体电流产生的磁场，共同形成约束粒子的磁场结构。

球形托卡马克的基本原理也相同。它并不采用与托卡马克完全不同的核聚变反应，而是通过显著改变等离子体的形状，寻求改善约束效果。

等离子体的温度和密度越高，压力就越大，也就越倾向于向外膨胀。磁场则抑制这种运动。研究人员希望了解的是，多强的磁场能够稳定地支撑多高的压力。

描述这一关系的指标叫作“比压（β值）”，即等离子体压力与磁场压力之比。在磁场强度相同的情况下，β值越高，意味着能够容纳越高的等离子体压力。

在球形托卡马克中，内侧与外侧磁力线的弯曲和缠绕方式有很大差异。沿着磁力线观察，有利于等离子体稳定性的曲率区域所占比例相对较大，因此被认为更容易支撑高压力。英国START的实验结果在1997年的论文中发表，其中报告了30%及以上的环向比压。

研究者期待利用这一特性，在相对较小的装置中也获得高性能等离子体。如果能缩小装置，就有可能减少建设所需的材料和配套设备规模。不过，电站的大小和成本不仅取决于磁体，也受到冷却设备、燃料设备、屏蔽和维护系统的影响。

需要说明的是，β值为30%并不意味着“将燃料能量的30%转化成了电力”。高比压是衡量等离子体性能的指标之一，与发电效率或商业化进展是不同的概念。

球形托卡马克并不是近年来才由初创企业提出的构型。在英国，START于1991年开始实验，证明了实现高比压的可能性。小型装置取得的结果，推动了利用更大装置验证性能的研究。

美国的NSTX于1999年启动，英国的MAST于2000年启动。研究范围从产生等离子体，逐步拓展到热量如何流失、什么因素引发不稳定，以及如何维持电流等问题。

日本也通过东京大学的TST-2和UTST等装置开展了具有自身特色的研究。例如，UTST研究的是在两个等离子体合并时，将磁场能量转化为热量的方法。TST-2则持续开展利用电磁波产生等离子体并驱动电流的研究。这些工作有助于发展在有限空间内高效启动和维持等离子体的技术。

进入2010年代后，民营企业也加入了开发行列。Tokamak Energy的ST40于2017年开始运行。公共研究装置积累的知识，以及民营企业在装置和磁体方面的开发，共同支撑着当前的球形托卡马克研究。

Tokamak Energy的ST40是一台将紧凑结构与强磁场相结合的球形托卡马克。它是一台采用铜磁体的实验装置，需要与该公司另行开发的高温超导磁体加以区分。

ST40的一项重要成果，是在2022年的实验中实现了约1亿摄氏度级的离子温度。离子是包含原子核的粒子，而原子核是核聚变反应的主角，因此提高离子温度具有重要意义。这表明，小型球形托卡马克也能够达到与核聚变相关的高温区间。

不过，这项实验并不是发电示范。在美国能源部介绍的实验中，放电持续时间约为0.15秒。要实现发电，除了温度，还需要同时改善粒子密度和热约束。

目前，ST40也是LEAPS计划的研究平台，该计划有美国和英国政府机构等参与。通过研究在面向等离子体的表面使用锂等方法，研究人员正在探索未来电站所需的运行条件。

聚变反应堆不仅需要加热等离子体，还必须安全地处理其排出的热量。如果热量集中在狭小区域，部件寿命就会缩短，为更换部件而停机的时间也会增加。

英国原子能管理局（UKAEA）的MAST Upgrade将热排出作为重要研究课题。“偏滤器”是承接等离子体排出粒子和热量的部件。该装置采用Super-X偏滤器等技术，通过磁场优化热量的流动路径，研究如何降低集中在部件上的负荷。

MAST Upgrade于2020年启动，并于2026年完成了第五轮实验。11月3日，相关方面公布了增强加热能力的大型部件的安装情况。为获得可用于电站的等离子体，研究人员正持续开展实验并改进装置。

美国普林斯顿等离子体物理实验室的NSTX-U是在NSTX基础上发展而来的研究装置。它利用更强的中心磁体和加热系统，承担研究球形托卡马克约束、稳定性和控制的任务。

截至2026年11月，由线圈故障引发的恢复项目仍在推进中。装置介绍中的目标性能，不能被视为已经实现的运行成绩。研究装置既有开展实验的阶段，也有进行大规模改造和维护的阶段。

与等离子体研究必须同步推进的，是支撑等离子体的磁体开发。Tokamak Energy的Demo4正是用于这一目的的高温超导磁体集成测试系统。

虽然名为高温超导，但它并不是在室温下工作的磁体。它采用能够在比传统超导材料更高的温度下保持超导状态的材料，实际运行时仍需冷却至低温。

磁体并非只要单独产生强磁场，就算开发完成。当多个线圈被组合并同时运行时，它们之间会产生巨大的相互作用力。此外，还需要供电电源、维持温度的冷却系统，以及检测异常并提供保护的机制。Demo4就是将这些系统组合起来进行测试的装置。

该公司于2026年9月宣布，已完成历时14个月的测试，并记录到13.7特斯拉的峰值磁场。这里验证的是磁体系统的性能，需要与ST40的等离子体实验以及核聚变发电本身的成果区分开来。

ST40研究的是“如何约束等离子体”，Demo4研究的则是“如何构建能够产生强磁场的装置”。两者从不同方面，为未来的核聚变装置提供支撑。

为了实现采用球形托卡马克的电站，具体设计工作正在推进。英国的STEP就是代表性项目。它不仅要像研究装置那样产生等离子体，还以建设原型电站为目标，希望在扣除厂内用电后，仍能向外部供电。

2026年10月，第三代设计“SPP3”公布。其重点包括维持等离子体的加热技术、连续运行，以及便于接近部件的维护结构。长时间运行、按需更换部件后再次启动等电站层面的问题，成为设计的核心。

不过，采用球形托卡马克构型，并不意味着电站就能直接建成。尤其需要同时解决以下三个问题。

在狭窄的中心区域容纳磁体及其保护设施。

中央孔洞越小，可供中心柱使用的空间就越狭窄。那里需要容纳产生磁场的导体和冷却设施。在发电反应堆中，屏蔽也很重要，需要保护磁体免受核聚变反应产生的中子所带来的热量和损伤。越是追求小型化，材料和布局设计面临的要求就越严苛。

提取热量，并回收和生产燃料。

使用氘和氚的发电反应堆，需要将中子的能量以热的形式回收，并送往发电设备。同时，还计划在反应堆周围利用锂生产氚，以补充燃料。承担这一功能的设备称为包层。球形托卡马克内侧的空间狭小，因此如何确定包层的布置位置和规模，会更加困难。

维持高温、高密度状态，并实现电力收支平衡。

仅仅一次达到高温，对于电站而言还不够。必须稳定等离子体、维持电流，并在计入加热和冷却等耗电之后，仍有剩余电力可向外供应。此外，部件更换频率和停机时间也会影响发电成本。

球形托卡马克通过优化形状，寻求实现高性能、紧凑的反应堆，是一条重要的研究路线。实验已经验证了它的潜力。当前的问题在于，能否将这种等离子体性能，转化为具备磁体、燃料、材料、热回收和维护等完整系统的电站。

了解ST40、MAST Upgrade、NSTX-U和STEP时，如果不仅关注最高温度或装置大小，也留意“这台装置是为了解决什么问题”，就能看清研发目前所处的阶段。

本文刊登的Demo4照片经Tokamak Energy许可使用。感谢该公司提供照片。