什麼是球形托卡馬克？從電漿的形狀，看通往核融合發電的道路

在核融合發電研究中，將作為燃料的電漿「約束成什麼形狀」，會影響裝置的性能和大小。其中，球形托卡馬克產生的電漿中央孔洞較小，整體形狀更為圓鼓。

英國Tokamak Energy開發的ST40和英國研究裝置MAST Upgrade都採用了這種構型。這一路線也與英國旨在建設融合電站的STEP計劃相銜接。

為什麼改變形狀能夠成為邁向發電的一步？讓我們先從電漿的形態看起。

常規托卡馬克中的電漿呈甜甜圈般的環形。球形托卡馬克的形狀，就像把這個環加粗，同時縮小中央的孔洞。由於它在豎直方向上也有所拉長，從側面看，類似一顆去核的蘋果。

需要注意的是，球形托卡馬克依然是中央有孔的「環」，並不是把電漿裝進一個沒有空洞的球體中。此外，「球形」主要描述的是電漿的形狀，而不是建築物或真空容器的外觀。

用數值描述這一差異的參數是環徑比。將裝置中心軸到電漿環中心的距離定義為大半徑R，將電漿截面水平方向的半寬定義為小半徑a，則環徑比為A＝R/a。常規托卡馬克的A值通常在3左右，而球形托卡馬克大致低於2。

例如，R為3、a為1時，A為3；R為1.5、a為1時，A為1.5。後者相對於環的粗細，中央孔洞更小。這個「小孔洞」，與電漿的性質和裝置的設計密切相關。

要發生核融合，必須將燃料加熱到極高的溫度。在這種狀態下，原子分離為電子和離子，成為帶電粒子高速運動的電漿。如果持續直接接觸容器壁，熱量就會流失，因此需要利用磁場將其約束起來。

帶電粒子會繞著磁力線做螺旋運動。不過，僅沿環的方向產生單一方向的磁場，並不足以實現有效約束。托卡馬克將環繞裝置一週方向的磁場，與繞電漿截面方向的磁場相結合，使磁力線發生扭轉。

為此，需要使用佈置在外側的線圈，以及在電漿自身中流動的電流。產生沿環方向磁場的是環向場線圈，調節電漿位置和形狀的是極向場線圈。再加上電漿電流產生的磁場，共同形成約束粒子的磁場結構。

球形托卡馬克的基本原理也相同。它並不採用與托卡馬克完全不同的核融合反應，而是通過顯著改變電漿的形狀，尋求改善約束效果。

電漿的溫度和密度越高，壓力就越大，也就越傾向於向外膨脹。磁場則抑制這種運動。研究人員希望瞭解的是，多強的磁場能夠穩定地支撐多高的壓力。

描述這一關係的指標叫作「比壓（β值）」，即電漿壓力與磁場壓力之比。在磁場強度相同的情況下，β值越高，意味著能夠容納越高的電漿壓力。

在球形托卡馬克中，內側與外側磁力線的彎曲和纏繞方式有很大差異。沿著磁力線觀察，有利於電漿穩定性的曲率區域所佔比例相對較大，因此被認為更容易支撐高壓力。英國START的實驗結果在1997年的論文中發表，其中報告了30%及以上的環向比壓。

研究者期待利用這一特性，在相對較小的裝置中也獲得高性能電漿。如果能縮小裝置，就有可能減少建設所需的材料和配套設備規模。不過，電站的大小和成本不僅取決於磁體，也受到冷卻設備、燃料設備、屏蔽和維護系統的影響。

需要說明的是，β值為30%並不意味著「將燃料能量的30%轉化成了電力」。高比壓是衡量電漿性能的指標之一，與發電效率或商業化進展是不同的概念。

球形托卡馬克並不是近年來才由初創企業提出的構型。在英國，START於1991年開始實驗，證明了實現高比壓的可能性。小型裝置取得的結果，推動了利用更大裝置驗證性能的研究。

美國的NSTX於1999年啟動，英國的MAST於2000年啟動。研究範圍從產生電漿，逐步拓展到熱量如何流失、什麼因素引發不穩定，以及如何維持電流等問題。

日本也通過東京大學的TST-2和UTST等裝置開展了具有自身特色的研究。例如，UTST研究的是在兩個電漿合併時，將磁場能量轉化為熱量的方法。TST-2則持續開展利用電磁波產生電漿並驅動電流的研究。這些工作有助於發展在有限空間內高效啟動和維持電漿的技術。

進入2010年代後，民營企業也加入了開發行列。Tokamak Energy的ST40於2017年開始運行。公共研究裝置積累的知識，以及民營企業在裝置和磁體方面的開發，共同支撐著當前的球形托卡馬克研究。

Tokamak Energy的ST40是一臺將緊湊結構與強磁場相結合的球形托卡馬克。它是一臺採用銅磁體的實驗裝置，需要與該公司另行開發的高溫超導磁體加以區分。

ST40的一項重要成果，是在2022年的實驗中實現了約1億攝氏度級的離子溫度。離子是包含原子核的粒子，而原子核是核融合反應的主角，因此提高離子溫度具有重要意義。這表明，小型球形托卡馬克也能夠達到與核融合相關的高溫區間。

不過，這項實驗並不是發電示範。在美國能源部介紹的實驗中，放電持續時間約為0.15秒。要實現發電，除了溫度，還需要同時改善粒子密度和熱約束。

目前，ST40也是LEAPS計劃的研究平臺，該計劃有美國和英國政府機構等參與。通過研究在面向電漿的表面使用鋰等方法，研究人員正在探索未來電站所需的運行條件。

融合反應爐不僅需要加熱電漿，還必須安全地處理其排出的熱量。如果熱量集中在狹小區域，部件壽命就會縮短，為更換部件而停機的時間也會增加。

英國原子能管理局（UKAEA）的MAST Upgrade將熱排出作為重要研究課題。「偏濾器」是承接電漿排出粒子和熱量的部件。該裝置採用Super-X偏濾器等技術，通過磁場優化熱量的流動路徑，研究如何降低集中在部件上的負荷。

MAST Upgrade於2020年啟動，並於2026年完成了第五輪實驗。11月3日，相關方面公佈了增強加熱能力的大型部件的安裝情況。為獲得可用於電站的電漿，研究人員正持續開展實驗並改進裝置。

美國普林斯頓電漿物理實驗室的NSTX-U是在NSTX基礎上發展而來的研究裝置。它利用更強的中心磁體和加熱系統，承擔研究球形托卡馬克約束、穩定性和控制的任務。

截至2026年11月，由線圈故障引發的恢復項目仍在推進中。裝置介紹中的目標性能，不能被視為已經實現的運行成績。研究裝置既有開展實驗的階段，也有進行大規模改造和維護的階段。

與電漿研究必須同步推進的，是支撐電漿的磁體開發。Tokamak Energy的Demo4正是用於這一目的的高溫超導磁體整合測試系統。

雖然名為高溫超導，但它並不是在室溫下工作的磁體。它採用能夠在比傳統超導材料更高的溫度下保持超導狀態的材料，實際運行時仍需冷卻至低溫。

磁體並非只要單獨產生強磁場，就算開發完成。當多個線圈被組合並同時運行時，它們之間會產生巨大的相互作用力。此外，還需要供電電源、維持溫度的冷卻系統，以及檢測異常並提供保護的機制。Demo4就是將這些系統組合起來進行測試的裝置。

該公司於2026年9月宣佈，已完成歷時14個月的測試，並記錄到13.7特斯拉的峰值磁場。這裡驗證的是磁體系統的性能，需要與ST40的電漿實驗以及核融合發電本身的成果區分開來。

ST40研究的是「如何約束電漿」，Demo4研究的則是「如何構建能夠產生強磁場的裝置」。兩者從不同方面，為未來的核融合裝置提供支撐。

為了實現採用球形托卡馬克的電站，具體設計工作正在推進。英國的STEP就是代表性項目。它不僅要像研究裝置那樣產生電漿，還以建設原型電站為目標，希望在扣除廠內用電後，仍能向外部供電。

2026年10月，第三代設計「SPP3」公佈。其重點包括維持電漿的加熱技術、連續運行，以及便於接近部件的維護結構。長時間運行、按需更換部件後再次啟動等電站層面的問題，成為設計的核心。

不過，採用球形托卡馬克構型，並不意味著電站就能直接建成。尤其需要同時解決以下三個問題。

在狹窄的中心區域容納磁體及其保護設施。

中央孔洞越小，可供中心柱使用的空間就越狹窄。那裡需要容納產生磁場的導體和冷卻設施。在發電反應爐中，屏蔽也很重要，需要保護磁體免受核融合反應產生的中子所帶來的熱量和損傷。越是追求小型化，材料和佈局設計面臨的要求就越嚴苛。

提取熱量，並回收和生產燃料。

使用氘和氚的發電反應爐，需要將中子的能量以熱的形式回收，並送往發電設備。同時，還計劃在反應爐周圍利用鋰生產氚，以補充燃料。承擔這一功能的設備稱為包層。球形托卡馬克內側的空間狹小，因此如何確定包層的佈置位置和規模，會更加困難。

維持高溫、高密度狀態，並實現電力收支平衡。

僅僅一次達到高溫，對於電站而言還不夠。必須穩定電漿、維持電流，並在計入加熱和冷卻等耗電之後，仍有剩餘電力可向外供應。此外，部件更換頻率和停機時間也會影響發電成本。

球形托卡馬克通過優化形狀，尋求實現高性能、緊湊的反應爐，是一條重要的研究路線。實驗已經驗證了它的潛力。當前的問題在於，能否將這種電漿性能，轉化為具備磁體、燃料、材料、熱回收和維護等完整系統的電站。

瞭解ST40、MAST Upgrade、NSTX-U和STEP時，如果不僅關注最高溫度或裝置大小，也留意「這臺裝置是為了解決什麼問題」，就能看清研發目前所處的階段。

本文刊登的Demo4照片經Tokamak Energy許可使用。感謝該公司提供照片。