人造太阳原理
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在太阳的中心，温度高达1500万摄氏度，气压达到3000多亿个大气压，在这样的高温高压条件下，氢原子核聚变成氦原子核，并放出大量能量。数十亿年来，太阳如同一个巨大的核聚变反应装置，持续不断地向外辐射着能量。人造太阳的原理是利用核聚变能，主要燃料之一是氢的同位素氘。氘广泛分布于水中，每升水中约含有30毫克氘，通过聚变反应产生的能量相当于300升汽油的热能。采集氘并使之与相关物质聚变产生能量，即为人造太阳的原理。
20世纪50年代初，苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出了磁约束的概念。苏联库尔恰托夫原子能研究所的阿奇莫维奇按照这样的思路，不断进行研究和改进，于1954年建成第一个磁约束装置。该装置被命名为托卡马克（tokamak），意为“磁线圈圆环室”，是一个由封闭磁场组成的“容器”，形如一个中空的面包圈，用于约束电离了的等离子体。
在托卡马克中，等离子体的束缚是通过纵场（环向场）线圈产生的环向磁场来实现的，极向场控制等离子体的位置和形状，中心螺管产生的垂直场形成环向高电压，激发等离子体，同时加热等离子体，也起到控制等离子体的作用。数十年来，人们一直在研究和改进磁场的形态和性质，以实现长时间的等离子体稳定约束、解决等离子体加热方法、确保维持运转所耗费的能量小于输出能量。每一次等离子体放电时间的延长、温度的提高、输出能量的提升，都标志着人类向聚变能的应用迈进了一步。尽管取得了显著进步，但仍面临诸多挑战。
为了维持强大的约束磁场，电流的强度非常大，导致线圈发热。因此，常规托卡马克装置难以实现长时间运转。为解决这一问题，人们引入了最新的超导技术到托卡马克装置中，这可能是实现托卡马克稳态运转的有效途径之一。目前，法国、日本、俄罗斯和中国共有4个超导的托卡马克装置在运行，其中法国的Tore-Supra装置是世界上第一个实现高参数准稳态运行的装置，在放电时间长达120秒的条件下，等离子体温度达到2000万度，中心粒子密度每立方米1.5×1019个。中国和韩国正在建造全超导的托卡马克装置，目标是实现托卡马克更长时间的稳态运行。
自50年代以来，全世界共建造了上百个托卡马克装置，致力于改善磁场约束和等离子体加热技术。在上世纪70年代，人们在约束磁场研究方面取得了重大突破，通过改变约束磁场的分布和形状解决了等离子体粒子的侧向漂移问题，引发全球托卡马克研究热潮。多个国家，如美国、欧洲、日本、苏联，建造了多个大型托卡马克装置，如1982年美国的TFTR、1983年欧洲的JET、1985年日本的JT-60、1982年苏联的T-15，这些装置在磁约束聚变研究中发挥了决定性作用，尤其是欧洲的JET实现了氘、氚的聚变反应。JET在1991年11月将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热至摄氏3亿度，持续放电2秒，输出功率约1.8兆瓦，在1997年9月22日创下核聚变输出功率12.9兆瓦的新纪录，达到当时输入功率的60%，随后输出功率进一步提升至16.1兆瓦，托卡马克上最高输出与输入功率比已达1.25。
扩展资料
所谓“人造太阳”，即先进超导托卡马克实验装置，也即国际热核聚变实验堆计划(ITER)建设工程，是当今世界迄今为止最大的热核聚变实验项目，旨在在地球上模拟太阳的核聚变，利用热核聚变为人类提供源源不断的清洁能源。核聚变能以氘氚为燃料，具有安全、洁净、资源无限3大优点，是最终解决我国乃至全人类能源问题的战略新能源。
