磁约束聚变的主要配置与研究

在惯性帮助下将反应燃料聚集在一起并短时间内产生爆裂的聚变也可以在低密度稳定约束条件下进行。因为这样的反应堆所需要的温度高达几亿摄氏度，没有这样材质的容器可以承担如此高的温度。所以，研究者们就采用磁场作为主要力量来压缩聚变反应燃料。很长时间以来世界科学界的聚变研究项目主要采用磁场约束聚变方法，磁场约束聚变的策略是将氢的同位素加热到很高的温度使得燃料电离，也就是说，现在的气体不是由中性的分子组成，而是由来自于这些分子的带正电的原子核和带负电的电子组成。这就是等离子状态，物质存在的第四种状态，这种状态在我们肉眼可看到的宇宙中普遍存在，例如恒星^[6]。带电粒子在磁场中发生偏离，结果燃料中带正电的原子核和带负电的电子就沿着磁力线做螺旋运动。因此，对称磁场的实际作用是限制带电粒子垂直于磁力线移动，同时允许粒子沿着磁力线自由移动。聚变反应堆所需要的条件产生了垂直于大气层磁场的等离子压力以及扩张力，这个扩张力可以与大概5000奥斯特磁场产生的反向磁场力相抵消，该磁场可以很容易通过通电线圈来获得。

磁场约束的配置根据拓扑结构大体上可以分成两大类：开端和闭合。开端配置主要通过一个线性线圈阵列来生成螺旋磁场，以提供约束防止穿过磁场的等离子发生流失。单纯的螺旋磁场可能会使所有的等离子很快地从螺旋管底部流失，可以通过增强每个螺旋管底部磁场强度来减小这种流失，磁场强度增强，磁力线受到压缩，使大部分带电微粒沿着磁力线螺旋运动，流失的等离子被加强了的磁场反射回来，因此这种配置也称为“磁镜”。在聚变研究早期的几十年里，对磁镜进行了大量的研究，但是末端流失导致短约束时间在实际中并不能实现。还有一种混合拓扑结构，这种结构中等离子内部的循环电流在外部线圈阵列产生的螺旋磁场的内部生成一个环形闭合磁场，这种配置叫做“场反向配置”，一直是研究的热门^[7]。

在全世界的聚变研究成果中，通常都是把闭合磁拓扑配置作为主要研究对象；闭合磁拓扑中，磁力线形成一个环，基本上环绕了全部等离子体，所以带电粒子能够连续循环而没有末端流失。因为简单的封闭环形运动与粒子的漂移相结合导致了等离子体的快速丢失，所以在环形磁场上增加一个极向场分量，从而将一个螺旋扭矩加到总的磁场配置中^[1，2]。在聚变研究的初期，这种螺旋环形场结构可以用两种方法来产生。一种方法叫做托卡马克法^[4]，是由前苏联在20世纪50年代发明的。将一组绕有线圈的螺旋管弯曲形成环状，从而产生环形磁场分量，同时在围绕等离子体配置作环形流动的电流所产生的磁场中会出现极向磁场分量。最初的循环电流是由感应驱动，以高导电率的等离子体作为变压器的二次侧，原环中央的孔中的线圈作为变压器的一次侧。但是，只有在变压器磁链发生变化的时候才发生感应，这导致了实际应用中驱动循环电流的时间长度受到限制。在最近几十年，已经研究出了采用高能离子束、电磁波或由发电机效应引起的自举电流等非感应驱动电流的方法，自举电流是由穿过闭合电磁场的等离子体压力梯度引起的。(www.xing528.com)

高能离子束和电磁波还可用于将受约束的等离子体加热到聚变反应所需要的几百万摄氏度。因为带电的离子束受到磁约束装置周围的边缘场的影响将发生偏斜，所以可以经过静电加速到很高的能量后将离子转变成中性原子，这些中性原子就可以穿过边缘场进入磁场。一旦进入磁场内部，它们就会因为受约束离子的影响而发生离子化，然后被限制在磁场中，通过连续的碰撞将能量释放给等离子^[8]。电磁波通过激起共振的方法把能量转移给受磁力约束的电子。

另一种闭式环形约束方法也是首创于20世纪50年代。这种方法叫做仿星器，它完全通过电磁线圈来生成螺旋环形磁场结构，不需要驱动等离子体内电流。仿星器不需要驱动电流，这使得它们在某些方面得到了简化，也不受磁场能量突然释放的影响，在托卡马克方法中当等离子体发生衰变时循环电流会迅速终止，从而会导致磁场能量突然释放。这些在托卡马克方法中所不具有的优点都被线圈结构和作用于线圈上的磁力负载比托卡马克更复杂这些缺点所抵消，另外，需要更细心的设计以确保在整个约束区域中都可以获得闭合的磁链面；再加上，在单纯的仿星器配置中，一旦实验开始了，操作灵活性可能会降低。国家紧密型仿星器实验装置是一种混合新方法，正建于美国的普林斯顿大学等离子物理研究室，这个方法会对仿星器和托卡马克方法在运行环境上的一致性进行研究^[9]。