托卡马克装置组成部分包括哪些？

 托卡马克装置的主要组成部分包含磁体、堆内构件、加热和电流驱动系统等。

1、 磁体系统：托卡马克装置核心，实现等离子体初步加热和约束

ITER（国际热核聚变实验反应堆）磁体系统由四个主要子系统组成，包括 18 个环向场线圈（Toroidal Field Coil, TFC）；6 个极向场线圈（Poloidal Field coil, PFC）； 18 个校正线圈（Correction coil, CC）以及中心螺线管（Central Solenoid, CS），磁体 系统所需的超导线材总长度 187.4km，总重量近万吨。等离子体电流会产生周向磁 场，与外部磁场组合形成环绕等离子体流方向的旋转磁场；带电粒子在磁场约束下 沿磁感线运动。矫正线圈实时响应，维持等离子体稳定运行。 环向磁体产生环向磁场（左图黄色箭头方向），约束等离子体流在有限的截面半 径范围内运动，最大磁场 11.8T，总电流 164MA，线材长度 82.2km。 极向磁体产生垂直于地面的磁场，约束等离子体环在有限的主半径范围内运动， 最大磁场 6.0T，总电流 58.2MA，线材长度 61.4km。 中心螺线管利用变压器原理，通过变化的电流、生成变化的磁场和感应电场， 电离并加热等离子体，最大磁场 13.0T，总电流 147MA，线材长度 35.6km。欧姆加 热能够使粒子温度/动能达到 107K/1keV数量级，是托卡马克装置中重要的加热手段。

2、 真空室与堆内构件：提供和维护聚变反应环境，并实现燃料增殖

核聚变反应中的等离子体必须被约束在真空容器真空室（Vacuum Vessel）中； 真空室向内分别为中子屏蔽层、燃料增殖层、第一壁。真空室维持反应容器内部高 真空度，隔绝大气组分干扰，为氘氚聚变反应创造洁净的环境，并提供结构支撑。 第一层壁板（First wall panel）直面聚变等离子体，需要承受较强的的中子流（以 及氦离子、氢离子等）和热流（中子碰撞反应堆壁，把自身携带的动能转化为热） 的考验，并把热量导出用于发电，要求具有较强的耐热性、高热导率、耐辐射能力 和一定的强度，还要避免发生溅射对等离子体造成干扰。 偏滤器（Divertor）位于聚变装置真空容器的底部，负责排出氦灰和其他反应杂 质。为保持等离子体洁净，托卡马克装置通过特殊的磁场结构，将等离子体中的杂 质驱赶到真空容器底部，并通过真空泵排出氦灰等杂质和少量氚，通过氚工厂筛选 过滤得到洁净的氚后重新作为燃料注入反应容器。 ITER 第一壁与偏滤器主材为钨。第一壁与偏滤器表面热流密度达 MW/m²量级， 中心区中子通量达 1018n/m²·s 量级，高能中子会导致材料迁移和损伤。钨因熔点高 （3410°C）且溅射阈值高，被选为偏滤器和第一壁装甲的主要材料；第一壁和偏滤 器的表面材料需定期更换，紧凑型聚变装置第一壁中子辐照损伤会显著增加，更换 周期相应缩短。结构件一般采用低放射性铁素体/马氏体钢，在数年运行后出现氦脆 和膨胀，同样需要定期更换。创新方案例如液态金属锂壁（在壁面流动一层锂液吸 收热量和中子）可动态自修复、并提高等离子体性能（锂可吸附杂质），已在实验装 置上测试。材料供应链方面，大规模聚变部署将需要大量特种钢锭、钨材和锂资源。

氚是聚变反应优选燃料之一，但自然界稀少，必须在聚变堆内实现氚增殖。目 前氚主要从重水堆副产获得，全球年产量不足 5kg、商用氚库存不足 40kg；而在功 率为 1GW 的聚变反应堆中，氚的消耗量约为 152g/d、55.5kg/a，仅依赖现有来源远 远不够。必须在聚变堆内实现氚增殖，即利用聚变放出的高能中子与锂-6 反应，生 产新的氚。为此，聚变堆需要在真空室内侧配备增殖包层（Breeding Blanket），填 充锂化合物并伴以中子倍增剂（如铅 Pb 或铍 Be），以确保产氚率>消耗率。铍（Be） 是中子倍增剂的主流选择，但资源比较稀缺，加工成小球后价格高达 10 万元/kg； 中国聚变工程实验堆（CFEDR）设计方案中的铍球用量>300t。

3、 加热和电源系统：托卡马克装置的心脏，能量输入的核心环节

由于欧姆加热仅能够使粒子温度/动能达到 107K/1keV 数量级，为了获得更高的 粒子动能达到并维持最低点火温度（氘氚聚变最低点火温度/动能为 108K/10keV 数 量级），必须采用射频波（Radio Frequency, RF）和中性束（Neutral Beam Injection, NBI）等额外的加热方法。合适的波频率和极化方向会产生波-粒子间的相互作用， 当相互作用过程在粒子速度分布上正负对称时产生等离子体加热效应，非对称时则 兼具电流驱动效应。射频加热主要包括离子回旋共振加热（ICRH）、电子回旋共振 加热（ECRH）和低杂波加热（LHRF）。 电子回旋共振加热（ECRH）以 170GHz 的频率（电子的共振频率）的电磁辐射束加热等离子体中的电子；电子又通过碰撞将吸收的能量传递给离子。在 ITER 中， ECRH 系统在运行初始阶段为等离子体提供 40MW 的加热功率，在运行后期阶段提 供 67MW 的加热功率；ECRH 系统由 80 个 1MW 回旋管（Gyrotrons）组成。 离子回旋共振加热（ICRH）以 40~55MHz 的频率（离子的共振频率）的电磁辐 射束将能量传递给等离子体中的离子。在 ITER 中，ICRH 将通过等离子体加热天线 的两个射频源向等离子体提供 10~20MW 的加热功率。 低杂波加热（LHRF）的工作频率和微波炉接近，利用相控天线在边缘激发一支 向等离子体内部传播的准静电波，电场方向与磁场方向近似平行，当粒子平行于波 场的热速度与波相速度接近时，波就会在平行方向将能量和动量传递给共振电子（即 朗道阻尼），驱动等离子体电流。 中性束注入加热（NBI）将高能离子束通过电荷交换中和成高能中性束，使得高 能粒子能够穿越托卡马克的磁笼进入等离子体中。ITER 将配备两个中性束喷射器， 每个喷射器发射 16.5MW 的氘束，粒子能量为 1MeV，喷射器能够连续运行 3600 秒。

ITER 电力供应和电流驱动系统由稳态高压变电站（SSEN）、脉冲高压变电站 （PPEN）、磁体电源（CPS）和辅助加热电源系统（HPS）组成。 SSEN 主要供给 ITER 装置相关分系统，包括低温系统、水冷系统、氚工厂、数 控系统等，总功率约为 180MW，其中包含 750Mvar/66kV 无功补偿系统。 PPEN 主要供给磁体电源、微波电源和中性粒子电源等系统，带有 44 套电源系 统，单套电源最大功率 80MVA，总电源变流器装机容量为 4600MVA。 辅助加热电源系统包括 1000kV 中性束注入（NB）电源、26kV 离子回旋（ICRF） 电源、55kV 电子回旋（ECRF）电源、80kV 低杂波加热（LHCD）电源。

磁体电源系统通过控制数十个不同的超导线圈中的电流，实现对等离子体电流 的产生、位置和形状的精准控制。在实际运行时，由于等离子体运行的不稳定性和 变化，超导磁体电源产生的电流波形也是实时变化和振荡的。超导磁体电源需要实 时输出任意的电流波形实施对等离子体位置和形状等的反馈控制，电压响应时间小 于 2ms；同时要考虑各超导线圈之间的耦合效应。ITER 磁体电源主要由变流器单元、 快速放电单元和开关网络单元组成。 变流器单元用于实现交直流转换并输出任意的电流波形。每个超导线圈回路由 多个变流器单元串联而成；每个变流器单元由 4 个晶闸管桥和一个旁通桥组成；每 个变流器桥由大功率晶闸管并联组成。 开关网络单元（SNU）用于切断直流电流。直流电流没有过零点，并且回路中 的直流电感储存巨大的能量，开断时会形成很高的过电压；ITER 聚变装置中主要采 用机械开关、晶闸管并联技术、人工过零点技术等联合实现大感性直流电流开断。 ITER 装置运行时超导磁体系统总储能达 51.4GJ；快速放电单元（FDU）的功 能是在系统故障时迅速将超导线圈中储存能量转移出来，以保护超导磁体和聚变装 置主机的安全。FDU 同样利用人工过零技术断开直流电流，原理和 SNU 相似。

ITER 辅助加热电源主要使用脉冲跨周期调制（PSM）技术。 在 ITER 所有辅助加热电源中，中性束注入系统（NBI）高压电源技术难度最高。 NBI 系统使用 1000kV 高压电源提供电场，加速注入的粒子。NBI 高压电源连接 66kV 电网，先经过降压、整流，转换成 2.5kV/30kA 直流；再由 GTO（门极可关断晶闸管， 晶闸管的衍生器件，全控型器件）逆变器转换成 1kHz/2kV 交流电压；最后经过中频 升压变压器和二极管整流回路输出直流电压。其 GTO 逆变器和中频升压整流电路有 5 个模块，每个模块输出 200kV/59A 电压，串联后输出 1000kV 电压。 辅助加热电源同理，变压器低压侧绕组连接各PSM 模块，输出较低的直流电压， PSM 模块再串联输出所需的更高的直流电压；电源电压的大小控制主要依靠 PSM 模 块投入和切出，因此电源电压最小精度就为一个 PSM 模块的值。射频波电源的 PSM 模块主要由二极管桥、IGBT（绝缘栅双极型晶体管，全控型器件）斩波器、撬棒电 路 SCR（大功率过压保护电路）、缓冲电路 L 和 PSM 控制及保护器组成。在微波发 射装置打火故障，要求高压电源迅速实施保护，所有 PSM 模块 IGBT 关断而切断高 压，时间小于 5us，缓冲器用于吸收电源系统对地电容的储能。