人造太阳（托卡马克聚变堆）

一、装置结构（从外向内 8 层）

用强磁场将上亿度等离子体悬浮于真空，通过氘氚融合释放核能，再以中子导出热量烧开水发电。

1.生物屏蔽层（厚混凝土墙，防中子/射线） └→2.外真空杜瓦（巨型不锈钢保温瓶外壳，真空绝热） └→3.超导磁体系统（浸泡在液氦中，-269℃） ├─ 环向场线圈（TF）：笼子纵筋，主约束 ├─ 中心螺线管（CS）：感应电场，驱动等离子体电流 └─ 极向场线圈（PF）：控制等离子体位置与形状 └→4.热屏蔽层（液氮冷屏，-196℃，隔离内热） └→5.内真空室（不锈钢炉膛，超高真空） └→6.增殖包层/第一壁（产氚+吸热+冷却管道） └→7.偏滤器（底部排灰口，承受极高热流） └→8.等离子体核心（1.5亿℃，悬浮于磁场中）

二、原理：核能如何释放

关键点：-269℃的超导磁体与1.5亿℃的等离子体仅隔数米，靠真空绝热+冷屏实现“冰火共存”。

1. 储能机制：原子核内质子和中子被强核力束缚，如同压紧的弹簧，内部储有巨大能量。
2. 突破壁垒：氘核和氚核均带正电，强烈互斥（库仑斥力）。加热至1.5亿℃，原子核获得极高速度，硬性撞穿静电壁垒。
3. 质能转换：氘 + 氚 → 氦 + 中子 + 能量。新生成的氦核质量比原两个核的质量总和减少0.7%，这“丢失”的质量严格按E=mc²全部转化为动能（热量）。

三、加热流程：达到并维持1.5亿度

阶段一：点火（三把火接力）

1. 欧姆加热：等离子体本身电阻产生焦耳热，可升到几千万度，但随温度升高电阻下降，后劲不足。
2. 中性束注入：将高能中性粒子射入核心，碰撞传能，继续升温。
3. 射频波加热：特定频率电磁波引发粒子共振吸收，最终升至1.5亿℃。

阶段二：自持燃烧

• 聚变产生的**α粒子（氦核）**带正电，被磁场囚禁在炉内，通过碰撞维持高温。
• **Q值（能量增益因子）**＝聚变输出功率 ÷ 外部加热功率
  • Q＞1：产出＞投入，α粒子加热占主导
  • Q＝∞（点火）：完全关闭外部加热，仅靠α粒子自持
  • 未来商用堆目标Q≥10

四、燃料：氘氚闭环

产氚与加料

• 现场产氚：中子轰击包层内的锂（Li），生成氚（T）+ 氦（He）。
• 自持要求：氚增殖比TBR≥1.15（产量＞消耗+衰变损失）。
• 加料方式：高纯氘氚冻成毫米冰丸，每秒几十发高速射入核心，偏滤器同步抽走氦灰，维持动态平衡。
• 误区：绝非直接灌海水，必须超高纯度气体。

五、约束：为何1.5亿度不熔化容器

1. 磁悬浮（不接触＝无热传导）

• 高温使氘氚完全电离成带电粒子，在磁场中受洛伦兹力，只能绕磁感线螺旋运动。
• 粒子被“钉”在磁感线上，悬浮于真空室中央，与器壁间为超高真空，无介质传热。

2. 力量对比

3. 铠甲与冷却

• 偏滤器/第一壁覆盖钨（熔点3410℃）。
• 背面微通道通高压水，实时带走热量，表面温度稳定在2000~3000℃，远低于熔点。
• 高能中子像“穿甲弹”，通过体积加热（非表面熔化），结合水冷确保安全。

六、能量导出：悬浮火球如何烧开水

1. 聚变产生高能中子（占80%能量，不带电）
2. 中子穿透磁场和真空，撞入外围增殖包层金属
3. 中子在金属内减速，动能转化为热能（体积加热）
4. 包层内高压水/氦气流经管道吸收热量（300~500℃）
5. 高温流体进入蒸汽发生器，加热二回路水产生高压蒸汽
6. 蒸汽驱动汽轮机→发电机→并网发电

核心：等离子体悬空不直接烧水，中子作为“能量信使”隔墙传热。

七、当前最大难题

破裂缓解系统（SPI）

• 探测到破裂前兆时，高速射入大量杂质气体冰丸（氩/氖）
• 强制均匀冷却等离子体，分散释放能量，避免集中破坏

八、固有安全性

• 无核爆炸：聚变条件极苛刻，一旦失控条件破坏，反应瞬间停止
• 无堆芯熔毁：无常链式反应，不会持续放热
• 放射风险低：堆内氚总量仅克量级，多层屏障（真空室、包层、负压厂房）防泄漏

聚变堆的“停堆”是物理规律决定的自动熄火，而非人工干预。

逻辑链条
结构套娃（8层）→ 核力储能（E=mc²）→ 三把火点燃 → α粒子自持 → 氘够氚要造 → 磁悬浮约束 → 中子带能出 → 包层吸热烧开水 → 材料/氚/控制三大关 → 自动熄火安全。