核聚变的技术有哪些 toroidal

大家好，今天小编关注到一个比较有意思的话题，就是关于toroidal的问题，于是小编就整理了2个相关介绍toroidal的解答，让我们一起看看吧。

核聚变的技术有哪些

可控核聚变通常采用三种方式：一是重力场约束；二是惯性约束；三是磁约束。

其中惯性约束（也叫激光约束）核聚变（如我国的神光计划，美国的国家点火计划）。磁约束核聚变（如托卡马克、仿星器、磁镜、反向场、球形环等装置），被认为最有前途。

目前，世界上可控核聚变反应的核心装置是托卡马克装置。它是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。

它的名字托卡马克（Tokamak）来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在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。

托卡马克为什么要用超导技术

托卡马克的核心原理是用等离子体隔热层阻隔核聚变反应的超高超高的温度！！！而这等离子体的持续产生需要持续超强大的电流！！！如果不用超导技术，那这么大的电流就在导体内会产生超高热，影响等离子体隔热层的持续产生。目前，中国🇨🇳托卡马克持续工作时间为102秒！！是5000万度超高温下全球第一！这已经是很难的了！！

“托卡马克为什么要用超导技术？”，简单来说就是超导技术的运用使托卡马克核聚变模式走向商业化成为可能。

托卡马克

人类实现可控核聚变的方法主要包括三种，包括惯性约束核聚变、磁约束核聚变以及超声波核聚变，目前来看成功率最高的要数磁约束核聚变，而托卡马克就是通过磁约束来进行核聚变的装置。

要想点燃核聚变反应，需要将聚变材料氘和氚加热到上亿摄氏度，要实现这种加热效果，需要多种加热方法综合运用，包括欧姆加热法、中性粒子束注入法以及射频波加热法等，被加热到上亿摄氏度的粒子将处于等离子态，其原子核也将具有极高的动能，使其有机会打破原子核之间的斥力效果从而发生核融合反应，并释放出能量。但这也面临另一个难题，那就是没有任何一种实体材料可以作为这种高温等离子体的反应容器，于是托卡马克应运而生。

托卡马克最早由苏联人与20世纪五十年代发明，本质上来说它就是一个环形的等离子体容器，而这个容器的材质是磁场。在结构上托卡马克主要由环向磁场、极向磁场和定位线圈组成，这些组成结构其实在它的名字中已经体现出来了，托卡马克（ Tokamak）=环形(toroidal)+真空室(kamera)+磁(magnit)+线圈(kotushka)。

托卡马克为什么要用超导技术

从上文中我可以知道，磁体是托卡马克装置的主体结构，虽然利用托卡马克可是实现核聚变的人工控制，但是却难以产生经济价值，这主要和“劳森判据”有关，劳森判据其实是指维持核聚变反应中能量平衡的条件，只有当核聚变装置的输出能量大于输入能量时，核聚变才有价值进行第二次循环运行并释放能量。在整个核聚变系统中，包裹等离子体的高强度磁场其实是最大的耗能户，曾有科学家估算认为，一个两千兆瓦的聚变反应堆，其所需要的磁体直径可达20米，而聚变所产生的电能也仅仅可以维持磁体系统的消耗，根本不具有多余的电能产出。

为了解决这个问题，就要想办法扩大聚变装置以及降低磁体的能量消耗，这显然是普通磁体无法实现的，因为由于导线电阻的存在，普通的电磁铁在产生高强度磁场时需要面临大量的电流损耗，而超导技术的运用则有望解决这一难题。处于超导状态的导体将具有“零电阻效应”，由于电阻的消失，电流可以在导体中无损耗的传输，从而避免电流的热效应产生，也使高强度磁场的制造变得更为简单。超导技术的运用是托卡马克装置走向商业化的重大突破。

（上图 超导体中的迈斯纳效应）

托卡马克中的超导技术

虽然超导技术的运用对托卡马克装置极为有利，但是要想使导线处于超导状态并不容易，首先来说，超导效应需要极低的温度才可以实现，另一方面，托卡马克装置需要的超导装置非常庞大，而且需要的磁场强度也非常强，整个磁体装置的受力情况也非常复杂，因此在实际运用过程中就要考虑到超导磁体的冷却、绝缘、应力保护、稳定性等多种问题，在考虑多种因素后，科学家决定为超导磁体穿上“铠甲”，既“铠装式电缆导体（CICC）”，它是用多根低温超导复合股线铰接在一起，经过挤压成型后封装在不锈钢导管中。这也是目前主流的低温超导磁体方案，包括我国的EAST、韩国的KSTAR和国际热核聚变实验堆的超导磁体都采用了CICC方案。但是CICC也有一些不足之处，比如稳定性与经济性等，因此高温超导托卡马克磁体设计也逐渐被科学家所关注。

总结

托卡马克通过磁场将等离子体约束起来，而强磁场的产生比如离不开强电流，在传统磁体中，由于导线电阻的存在，在获得强磁场的同时必然会面临电流的损耗，从而导致整个核聚变反应的输入能量大于输出能量，这样的核聚变反应也就失去了商业价值。超导技术的运用有望解决这个问题，由于超导状态的导体将具有“零电阻效应”，这使得整个磁场装置在获取强磁场的同时也避免了电流的热损耗，使托卡马克装置走向商业化成为可能。

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托卡马克为什么要用超导技术？

首先托卡马克装置是一个“磁约束”技术的核聚变技术，现在结合生活通俗易懂地讲解一下这个装置，之后再讲为什么要用超导技术。

1、左手定则（初中知识）

图1

左手定则，左手平展，手心对准N极，大拇指与并在一起的四指垂直 ，四指指向电流方向，大拇指所指的方向为受力方向。如上图所示：导体通电后受到拇指方向的一个力（力的大小与磁场强度有关：F=BIL）

2、核聚变

先看下核聚变材料之一如下图

图2

氘（1个质子+1个中子）+氚（1个质子+2个中子）=氦（2个质子+2个中子）

如上图：氘氚在聚变之前为离子态，呈现电性。即氘与氚离子在图1所示的此处下，按照图中红色箭头方向移到，将受到拇指方向的力。这里说明了什么呢？如下图：

图3

氘离子受到了磁场的约束，受力指向左边（假设氘运动向垂直屏幕指向里面），离子会远离上、下与右边。现在再加一对磁场如下图所示：

图4

氘离子受到两个磁场的力，最终合力大小有这两对磁场及“氘”离子的运动速度有关。总体受力方向为指向左下角（第三象限90度范围内）。下面将这两对磁场旋转起来，按下图所示：

图5

如上图所示：氘离子的受力方向将随着磁场旋转起来（与电机的旋转磁场类似）。如果把这个磁场做成圆环管状，离子将在圆环管内运动，控制磁场的大小及方向按要求旋转，这样参与核聚变的离子流（氘离子，氚离子）就像“水”一样在“管”内循环流动，但不会碰到管壁，这是最关键的磁场控制技术。下面看下托卡马克装置如下图：

这个装置就像我们日常喝水用的双层真空保温杯一样，开水只会传热到内层玻璃，中间真空层隔离了热量的传递，外面的玻璃就不汤手，这里保温杯的高温隔离物体是内层玻璃与真空；而托卡马克装置的隔离物是磁场约束力，由磁场约束粒子的运动。

核聚变温度极高，温度的本质是粒子的震动，而且温度没有上限（即粒子运动的剧烈程度）。既然核聚变内部粒子运动受到旋转磁场的约束，自然不会碰撞的核聚变装置的圆环管状内壁，这样对内壁的受热要求可以大大降低（因为核聚变还有不受磁场约束粒子（比如“中子”））。

至此核聚变原材料的控制告一段落。核聚变还有很多相关技术，比如：点火，压力控制，加入聚变材料，材料离子化，导出聚变产物“氦，聚变产生的中子怎么处理等等，这些就不细细讲，因为题主的问题是“为什么用超导技术”。

3、超导

为了控制磁场，约束核聚变的离子，需要极大的电流。电流强度与磁场强度正相关。为了减少发热，减少电能损耗。因为超导体内阻极小（甚至可以忽略内阻）。我们知道导体内阻的功耗为 P=IIR。同样电流下R越小，功耗（损失）越小。这个是经济上考虑的，同时也是为了减少托卡马克装置的散热要求。

总之：超导技术的应用一是经济性考虑，二是技术现实考量。整个托卡马克装置最关键的技术就是磁场控制技术。

到此，以上就是小编对于toroidal的问题就介绍到这了，希望介绍关于toroidal的2点解答对大家有用。