国际热核聚变堆

核聚变同核裂变不同，核裂变是一个重原子核分裂成几个轻原子核的过程，核聚变是几个轻原子核聚合为质量更重的原子核的过程。 目前世界上的核电站都是通过核裂变方式制造电能的，但是核聚变比核裂变能产生更多能量，而且更高效、清洁。最常见的核聚变是由氢的同位素氘和氚聚合成较重的原子核如氦而释出能量。

　　核聚变有着诱人的前景。地球上蕴藏着丰富的核聚变原料。据测算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍，可以说是取之不竭的能源。如果把自然界中的氘用于聚变反应，释放的能量足够人类使用100亿年。至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中子同锂作用可以产生，而海水中也含有大量锂。　

　　其实早在约100年前，世界著名物理学家爱因斯坦就预见到在原子核中蕴藏着巨大的能量。1939年，美国物理学家贝特证实，一个氘原子核和一个氚原子核碰撞，结合成一个氦原子核，并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。这个发现，揭示了太阳“燃烧”的奥秘。　

　　于是，制造一个装置，通过受控热核聚变反应获得无穷尽的新能源，成为全世界许多科学家的梦想。“这就相当于人类为自己制造一个或数个小太阳，源源不断从核聚变中得到能量。”

　　国际热核实验反应堆(ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor)计划也被称为“人造太阳”计划，由欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度等7方共同参与，与国际空间站、欧洲大型强子对撞机、人类基因组计划一样，是一个庞大的国际科技合作项目，需要多国科学家合作才能完成。其目的是借助氢同位素在高温下发生核聚变来获取丰富的能源。其原理类似太阳发光发热，即在上亿摄氏度的超高温条件下，利用氘、氚的聚变反应释放出核能。核聚变燃料氘和氚可以从海水中提取，核聚变反应不产生温室气体及核废料。由于原料取之不尽，不会危害环境，这一计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用核聚变能，从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程，因此，意义和影响十分重大。

　　专家认为，在核聚变反应堆里，氘、氚等原子聚合后，变成更重的原子。这和通过分裂而释放能量的核裂变截然不同，人们需要进行许多实验来了解有关反应的特性。此外，要在地球上使用受控的核聚变反应堆，就必须把气体加热到超过1亿摄氏度。这在工程和材料上的挑战将非常艰巨，据了解，要建造这一“人造太阳”，需要成千上万吨的混凝土和钢铁，而且还需要多种罕见的物质，比如铍、铌、钛和钨，以及低温液氮和液态氦。当然，最为关键的是，还需要大量核燃料。所有这些原料最终将会制造出国际热核聚变实验反应堆，从而在热核聚变领域取得重大突破。

尽管热核聚变实验反应堆的概念非常简单，但是实现起来却是另外一回事。因为原子核在热核聚变时并不积极，每个原子核都带有一个正电荷，它们之间互相排斥。因此在常规状态下让两个原子核结合起来几乎是不可能完成的。只有达到惊人的高温，原子核才能获得足够的能量克服相互间的排斥，成功撞击，最终实现核聚变。

　　太阳内部也是同样的场景。在太阳内部，热量产生自氢原子核的聚变。但是氢原子核只有温度达到开氏1500万度才会慢慢开始热核聚变。太阳内部核燃料的消耗非常缓慢，因此太阳的寿命已经持续了数十亿年。

　　然而在核聚变电站，核燃料需要在人类的时间尺度上进行聚变，而不能按照宇宙时间尺度进行。相对来讲，氢的重同位素氘、氚比氢更容易燃烧，但是，要想让氘氚在国际热核聚变实验堆内充分燃烧，温度必须达到天方夜谭般的开氏1亿5千万度。如此高的温度将会带来一系列难以克服的工程难题。特别是，如何控制比太阳内核温度高十倍的电子和原子核高温离子体。

　　即使最坚固的建筑材料都不能承受超过数百开氏度的温度。因此科学家提出通过磁场给高温等离子体编织一个“笼子”。ITER采用了若干个小型热核聚变反应堆所采用的设计方法，在这些实验中已经实现了核聚变所需的恐怖高温。

　　据悉，国际热核聚变实验反应堆将采用1968年由苏联人发明的托卡马克装置。托卡马克又称环流器，是一个由环形封闭磁场组成的“磁笼”，高温产生的等离子体就被约束在类似于面包圈的磁笼中。托卡马克装置通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。国际热核聚变实验反应堆中的托卡马克装置是一个直径超过12米、容积达837立方米的环形容器，里面环绕着超导电磁线圈。环形托卡马克装置外部的磁体能产生强烈的螺旋型磁场，能够约束热核聚变中产生的超高温等离子体。为了打造这一巨大的磁性笼子，国际热核聚变实验反应堆项目需要超过10000吨的铌合金制成的超导线圈，并且要用低温液态氦气来降温。

聚变燃料在“磁笼”以三种不同方式同时燃烧：电子线路发射电流穿过等离子体、微波加热以及环形磁场线圈周围的微粒加速器发射高能原子对其进行轰击。即使多策并举，时至今日所有的托卡马克都没有产生太多的聚变能。为了获得更大的突破，国际热核聚变实验反应堆将会启动一部更加巨大、密度更强的等离子环形磁场线圈。假如计划全部实现的话，则需要多十倍的能量才能激发出等离子。

　　如此高的能量会给国际热核聚变实验反应堆带来威胁，因为“磁笼”并非牢不可破的。活动剧烈的等离子体会发射出X射线，溢出带电粒子。而且，聚变反应将产生电中性且不受磁力吸引的高能中子。尽管有“磁笼”约束，国际热核聚变实验反应堆的等离子体很可能会以每平方米数兆瓦的热量将外壁炸开，其破坏力将远远超过此前的任何托卡马克或常规核裂变反应堆。

　解决能量问题的方案貌似简单：用水冷回路将热量转移至热交换器，最终形成蒸汽。负责ITER反应器内部食物的马里奥？梅罗拉说：“显而易见，这就是我们最希望通过核聚变反应所获取的东西—提取热能。”

　　但是，可操作性才是问题的关键。反应堆主承重壁，又称再生区，由440块半米厚的不锈钢板组成，并钉进很多高压水管。这些不锈钢墙壁将吸收绝大部分的中子，这些中子会使墙壁从内部升温。水管相距不锈钢内壁不超过2.5厘米，否则中间的钢板就会因温度太高而变软。

　　直接面对等离子体的内层钢板则不起作用。射入的等离子体会将钢板上的金属原子击发出并送进反应盒，污染那里的燃料和降低聚变反应的强度。为此，国际热核聚变实验反应堆研究团队选择用铍制成的瓷砖贴在墙壁上。虽然对人体有毒，但铍却非常适合抑制等离子破坏。它是一种轻元素，其原子重量非常接近氘和氚的原子重量。所以，尽管部分铍会从墙壁上爆发出去，也不会扑灭反应堆的火焰。

　　钢板和铍板也会被通过的电流和磁场的机械力量击伤。每块四吨重的金属板要承受一百吨的压力，因此它们必须要牢牢地固定、坚不可摧，哪怕上面有安装水管的洞孔。“再生仓的设计是整个反应堆中技术最难的部分之一。”梅罗拉说。

　　反应仓的底部也需要高强度的装甲板，并使用一种称作“偏滤器”的特殊装置以保持等离子体的纯度。聚变反应的主要副产品是氦核子，如果积累太多的话，将会扑灭反应中的核子烈焰。偏滤器的作用在于过滤掉等离子体的最表层，将其冷却并吸走，从而移除掉“氦垃圾”和其他杂质。偏滤器表面将非常灼热，单单是铍很容易熔化，因此要覆盖上熔点高达3000开氏温度的钨丝和碳纤维。

国际热核聚变实验反应堆的外壁能够利用水来降温，以抵御等离子线圈发射出的持续热量。但这还不是反应堆必须要面对的最大问题。托卡马克内部的等离子体在很多方面都和太阳相似，例如线圈也会突然产生一种称作“边缘局部化模态”的剧烈反应。在千分之一秒的瞬间，等离子线圈表面迅速膨胀，爆炸出大量的粒子。“看起来就像太阳耀斑一样。”国际热核聚变实验反应堆研究员阿尔伯托？罗雅特说。

　　“困扰我们的问题在于释放的粒子不仅数量庞大，而且具有一定的区域性和方向性，可能会产生每平方米数十亿瓦特的力量，那将是阳光照射地球功率密度的一百万倍。”罗雅特解释道。虽然单个的“边缘局部化模态”非常短暂，但其放射的能量也足以使表层的铍、钨或碳瞬间蒸发。假如“边缘局部化模态”每秒钟会出现几次的话，最坚固的装甲也会灰飞烟灭。

　　但是，国际热核聚变实验反应堆团队计划将冰块投进燃烧的火焰中来解决这个问题。该技术在上个世纪90年代应用于德国慕尼黑附近加兴市一个称作“偏滤器实验器”的反应堆。与其他的托卡马克一样，偏滤器实验器也需要把燃料放置在在等离子线圈上，为此它安装了一部气动喷枪，将冷却的氘球发射到线圈盒中。

　　偏滤器实验器的研究者发现，当氘球射到等离子时，会产生边缘局部化模态一样的爆发现象，大量的气体瞬间释放。因此可以通过确定发射氘球的时间和方向来降低边缘局部化模态的力度。“你可以选择连续性地发射氘球，从而使边缘局部化模态规模变小，并降低爆炸的破坏力。”罗雅特说。

　　当然，这种控制方法也并非完美无缺：边缘局部化模态最终会穿透反应堆的内壁，因此必须要有另外一层防御设施。2006年，在位于美国加州圣迭戈通用原子公司的DIII-D托卡马克试验中，物理学家发现他们能够利用反应堆内的一排小磁环来阻止边缘局部化模态的集中出现。小磁环放置在保护墙的后面，形成微弱的磁场，扰动等离子的表面，在一定程度上阻止了边缘局部化模态的爆发。“我们还无法从理论上清楚地解释这种现象。”罗雅特说。

　　上述两种方法在英国牛津附近的JET聚变反应堆被进一步改进，但最终的试验将在国际热核聚变实验反应堆进行，以验证它们是否能够在不释放太多等离子和影响聚变反应的前提下控制住边缘局部化模态。

中子是另一个潜在的威胁。聚变反应堆芯产生的高能中子会整个反应堆温度升高，破坏它们碰到的任何结晶体，坚硬的金属也会变得脆弱不堪。反应堆引发的中子爆炸将远比我们在地球上看到的一切爆炸都更加剧烈—整个反应堆会不会被炸得粉身碎骨呢？

　　梅罗拉深信这种情况不会发生。保护壁会采用奥氏体不锈钢。这是一种用于家庭餐具上的钢材，具有高弹性晶体结构，即使在很多原子遭到破坏的情况下仍具有足够的强度。“奥氏体不锈钢抗击打能力是非常强的。”梅罗拉说。

　　核聚变始终是充满争议，特别是由于需要源源不断的巨额投入。单单是国际热核聚变实验反应堆就需要100亿美元。怀疑论者还指出，核聚变支持者于二十世纪五十年代就提出会开发出取之不尽、用之不竭的清洁能源。但半个多世纪过去了，实现的前景仍然遥遥无期。

　　国际热核聚变实验反应堆团队显然希望这一天尽快到来。如果他们能够在反应堆成功取得实质性突破，最终实现核聚变发电的梦想也许真的为期不远了。

托卡马克核聚变，也称超导托卡马克可控热核聚变（EAST）、超导非圆截面核聚变实验，核物理学重要理论之 一，也是核聚变实现的重要途径之一。托卡马克核聚变是海水中富含的氘、氚在特定环境和超高温条件下使其实现核聚变反应，以释放巨大能量，世界各国科学家为已在20世纪中叶开始相关研发。在煤炭、石油一次性能源日渐枯竭且难以抑制环境污染的时候，清洁、安全而且原料取之不尽的可控热核聚变，成为本世纪中叶人类替代能源的希望所在。托卡马克核聚变研究涵盖基础科学、工程科学和信息科学等多个领域，吸引了全世界的关注。美国、欧洲、日本等发达国家均为此投入巨额资金。托卡马克(Tokamak)核聚变是一种利用磁约束来实现受控的核聚变。它的名字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。
　　托卡马克核聚变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。
　　相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上实现了电子温度1keV，质子温度0.5keV，nτ=10的18次方m-3.s，这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克核聚变的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有：美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的STTokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克(Ormark)，法国冯克奈-奥-罗兹研究所的TFRTokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥(Cleo)，西德马克斯-普朗克研究所的PulsatorTokamak。
　　2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。EAST成为世界上第一个建成 并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。核反应释放的能量相当于相同质量的物质释放的化学能的数十万倍至百万倍。核反应有核裂变、核聚变两种形式。一个重核在中子的轰击下分裂成高能碎片的反应叫做核裂变，主要反应物是稀少的放射性元素铀、钚等，如原子弹爆炸；两个轻核发生碰撞结合成重核的反应叫做核聚变，主要反应物为氢的同位素氘和氚，如氢弹爆炸、太阳发光发热等。
　　占发电量比重较大的核电站就是在控制之下的裂变能利用。托卡马克核聚变，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。受控热核聚变在常规托卡马克装置上已经实现。但常规托卡马克装置体积庞大、效率低，突破难度大。上世纪末，科学家们把新兴的超导技术用于托卡马克核聚变，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。托卡马克核聚变研究举步维艰，根本原因是轻元素原子核的聚合远比重元素原子核的分裂困难。原子核之间的吸引力是很大的，但原子核都带正电，又互相排斥，只有当两个原子核之间的距离非常接近，大约相距只有万亿分之三毫米时，它们的吸引力才大于静电斥力，两个原子核才可能聚合到一起同时放出巨大的能量。因此，首先必须使聚变物质处于等离子状态，让它们的原子核完全裸露出来。然而，两个带正电的原子核越互相接近，它们之间的静电斥力也越大。只有当带正电的原子核达到足够高的动能时，这需要几千万甚至几亿摄氏度的高温，它们的碰撞才有机会使它们非常接近，以致产生聚合。
　　1933年，人们用加速器使原子核获得所需的动能，在实验室实现了核聚变。可是从这样的核聚变中得到的能量比加速器消耗的能量要小得多，根本无法获得增益的能量。1952年，美国用原子弹爆炸的方法产生高温，第一次实现了大量氘、氚材料的核聚变。但这种方法的效果是，在极短时间内使核聚变释放出巨大能量，产生强烈爆炸，即氢弹爆炸。人类要和平利用核聚变，必须是可以控制的聚变过程。核聚变反应比较切实可行的控制办法是，通过控制核聚变燃料的加入速度及每一次的加入量，使核聚变反应按一定的规模连续或有节奏地进行。因此，核聚变装置中的气体密度要很低，只能相当于常温常压下气体密度的几万分之一。另外，对能量的约束要有足够长的时间。
　　二战末期，苏联和美、英各国曾出于军事上的考虑，一直在互相保密的情况下开展对核聚变的研究。几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质装在什么容器里一直是困扰人们的难题。
　　1954年，第一个托卡马克装置在苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。当人们提出这种磁约束的概念后，磁约束核聚变研究在一些方面的进展顺利，氢弹又迅速试验成功，这曾使不少国家的核科学家一度对受控核聚变抱有过分乐观的态度。但人们很快发现，约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，却很不稳定。另外，等离子体在加热过程中能量也不断损失。经过了二十多年的努力，远未达到当初的乐观期望，理论上估计的等离子体约束时间与实验结果相差甚远。人们开始认识到核聚变问题的复杂和研究的艰难。在这种情况下，苏、美等国感到保密不利于研究的进展，只有开展国际学术交流，才能推进核聚变的深入研究。另外，磁约束核聚变与热 核武器在科学技术上没有重大的重叠，而且其商业应用的竞争为时尚早。于是，1958年秋在日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上达成协议，各国互相公开研究计划，并在会上展示了各种核聚变实验装置。自这次会议后，研究重点转向高温等离子体的基础问题，从二十世纪六十年代中到七十年代，各国先后建成了很多实验装置，核聚变研究进入了一个新的高潮期，人们逐渐了解影响磁约束及造成能量损失的各种机理，摸索出克服这种不稳定性及能量损失的对策。随着核聚变研究的进展，人们对受控核聚变越来越有信心。
　　实现梦想需要科学。经过多年大量科学实验证明在一种称为托卡马克核聚变能开发出无限而清洁的聚变能，它能帮助人类实现寻求能源的梦想。核能是能源家族的新成员，包括裂变能和聚变能两种主要形式。裂变能 是重金属元素的核子通过裂变而释放的巨大能量。受控核裂变技术的发展已使裂变能的应用实现了商用化，如核(裂变)电站。裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。聚变能是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核并释放出的能量。目前开展的受控核聚变研究正是致力于实现聚变能的和平利用。其实，人类已经实现了氘氚核聚变--氢弹爆炸，但那是不可控制的瞬间能量释放，人类更需要受控核聚变。维系聚变的燃料是氢的同位素氘和氚，氘在地球的海水中有极其丰富的蕴藏量。经测算，l升海水所含氘产生的聚变能等同于300升汽油所释放的能量。海水中氘的储量可使人类使用几十亿年。特别的，聚变产生的废料为氦气，是清洁和安全的。因此，聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是世界各国尤其是发达国家不遗余力竞相研究、开发聚变能的根本原因。
　　受控热核聚变能的研究主要有两种--惯性约束核聚变和磁约束核聚变。前者利用超高强度的激光在极短的时间内辐照氘氚靶来实现聚变，后者则利用强磁场可很好地约束带电粒子的特性，将氘氚气体约束在一个特殊的磁容器中并加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。
　　托卡马克(Tokamak)是前苏联科学家于20世纪50年代发明的环形磁约束受控核聚变实验装置。经过近半个世纪的努力，在托卡马克上产生聚变能的科学可行性已被证实，但相关结果都是以短脉冲形式产生的，与实际反应堆的连续运行有较大距离。超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，是受控热核聚变能研究的一个重大突破。“超导托卡马克核聚变”实验包括一个具有非圆小截面的大型超导托卡马克实验装置和低温、真空、水冷、电源及控制、数据采集和处理、波加热、波驱动电流、诊断等子系统。其中超导托卡马克装置是本项目的核心。而超导托卡马克装置又包括超导纵场与极向场磁体系统、真空室、冷屏、外真空杜瓦及面对等离子体部件等部件。承担各部件设计的工程技术人员，在充分集思广益、充分发挥创新能力的基础上,借鉴国际上同类装置的经验,通过一丝不苟的努力工作，目前各项工作的进展呈良性循环---设计推动了预研工作的进行，预研工作的结果又使设计得到进一步优化。
　　1、超导磁系统。
　　超导纵场与极向场磁系统是HT-7U超导托卡马克的关键部件，结构复杂、技术难点多、难度大、涉及的不确定因素多。科研人员经过一轮又一轮的设计、计算和分析，对多种方案进行比较、优化，目前超导导体的设计已进入最后的实验选型阶段；线圈的设计已完成试验线圈的设计与绕制及原型线圈的设计；低温下高强度线圈盒的设计已完成各种可能工况下的力学分析与计算、传热分析与计算、电磁分析计算以及线圈盒焊接时的温升对超导线圈性能影响的试验等工作；低温冷却回路的设计已完成热的分析与计算及冷却参数的优化；超导导体接头已完成多种方案的设计、研制与试验，并确定了最终的结构形式；超低温绝缘子的研究已完成最终的设计与试制，进入批量制造阶段；超导线圈的真空压力浸渍的工艺研究在国内电绝缘的归口单位---桂林电科所及中科院北京低温中心的密切配合下已完成超低温绝缘胶的配方的研究，正在完成超低温绝缘胶真空压力浸渍的最终工艺试验。超导极向场的线圈位置优化和电流波形优化，使之既能满足双零和单零的偏滤器位形的要求，又能满足限制器位形的要求，这项工作经过反复的平衡计算与调试、比较，已经满足物理的要求，工程上线圈在装置上的位置以及线圈的截面形状均已确定。
　　2、真空室。
　　真空室是直接盛装等离子体的容器，除了要为等离子体提供一个超高真空环境，要满足装置稳定运行时等离子体对电磁的要求以及为诊断等离子体的特性、等离子体加热、真空抽气、水冷及加料对窗口的要求、中子屏蔽的要求、还要满足面对等离子体部件定位和准直的要求。HT-7U真空室是双层全焊接结构，由于真空室离等离子体近，等离子体与真空室之间的电磁作用最直接，真空室上所受的电磁力最大，同时真空室要烘烤到250°C，因温度变化所产生的热变形大。设计人员考虑到以上这些因素，对真空室进行了所有可能工况下的多轮受力分析、电磁分析和传热计算，针对每一轮的计算结果对结构设计进行优化。目前已完成最新一轮满足各项要求的结构在各种工况下的静应力分析、模态分析、频率响应分析和地震响应分析，为设计的可靠性提供了充分的依据。真空室试验原型段的施工设计正在进行之中，真空室满足热胀冷缩要求的特殊支撑结构的试验平台正在制造过程中，真空室窗口所使用的各种异型波纹管的研制也在紧张的进行。
　　3、 冷屏与外真空杜瓦。
　　HT-7U的内外冷屏是超导磁体的热屏障，对维持超导磁体的正常运行发挥作重要作用。该部件的电磁分析、受力分析和传热分析的工作都已完成，对传热计算产生重要影响的表面辐射系数的测量已完成，目前该部件已进入工程设计的最后阶段，即将转入施工设计。外真空杜瓦是维持其内部的所有部件都处在基本无对流传热的真空环境中，因而是超导磁体与冷屏维持超低温的保证，同时也是其内部所有部件支撑的基础。该部件的力学分析和电磁分析已结束，施工设计已正式展开。
　　4、面对等离子体部件 。
　　面对等离子体部件直接朝向等离子体，其表面性质直接影响等离子体杂质的返流和气体再循环，等离子体的能量依靠面对等离子体部件的冷却系统输运到托卡马克外。面对等离子体部件相对等离子体的位置的优化正与德国马普等离子体所合作，利用他们的程序进行计算，已得出初步结果；直接面对等离子体的石墨材料正与山西煤化所合作研究，开发参杂石墨与石墨表面的低溅射涂层，用于石墨材料各项性能试验的大功率电子枪和实验系统正在装修一新的实验室中调试；用于试验水冷结构和石墨性能的面对等离子体部件的试验件已组装到HT-7超导托卡马克的真空室中，在即将进行的一轮试验中进行各项指标的测试。
　　5、装置技术诊断系统。
　　装置技术诊断包括温度测量、应力应变测量、失超保护和短路检测等部分。温度测量从4.5k的液氦温度到350°C面对等离子体部件的烘烤温度，要测的温度范围大，且要使用不同的方法。特别是超低温下的温度测量，其温度计的标定费用高，科研人员积极发挥创新的能力，自己开发了一套温度标定系统，且在该系统上进行了HT-7U所有低温温度计的标定。应力应变测量、短路检测和失超保护的探测及放大电路已设计并调试完毕，数据采集和处理的专用程序也已进入调试阶段。
　　6、低温系统。
　　低温系统是超导托卡马克核聚变实验装置的关键外围设备之一。它必须保障装置的超导纵场磁体和极向场磁体顺利地从室温降温至3.8-4.6K,并能长达数月保冷,维持超导纵场磁体正常励磁和极向场磁体快脉冲变化的所需的致冷量。HT-7U超导托卡马克装置的低温系统的2KW/4.4K工程设计已全面展开，部分外购设备已到货且已安装到位。新增两只100m3的中压储气罐已安装就序，新增100m3的低压气柜也一稳稳地安放在低温车间的一角，新建压机站的五台崭新的螺杆压机被整齐地安装在低温车间中间，一台氦气干燥器、一台吸附器和两台滤油器已安装完毕。原俄罗斯赠送的OPG100/500二号制冷机的改造工作已经结束，德国FZK赠送的300W/1.8K制冷机的恢复施工即将开展。螺杆压机站的电控部分和气、水、油管线的施工正在紧张地进行。
　　7、其他子系统。
　　高功率电源系统担负着向托卡马克提供不同规格的高功率电源，实现能量传输、功率转换、运行控制等重要任务。为等离子体的产生、约束、维持、加热，以及等离子体电流、位置、形状、分布和破裂的控制提供必要的工程基础和控制手段。HT-7U纵场电源与极向场电源已完成了系统的分析、计算和方案的比较、优化。在设计过程中，科研人员本着保证性能、节约经费的原则，不仅在设计方案上结合本所的具体情况作多种设计相结合的方法，而且充分利用本所的技术储备，积极发挥创新的能力，自行开发重要设备。极向场电源的关键设备，大容量晶闸管、直流高压开关和爆炸开关等目前只能以很高的价格进口，经我所科研人员的努力已完成单元技术试验，正在进行样机的试制。
　　真空抽气系统为等离子体的稳定运行提供清洁的超高真空环境，为超导磁体正常运行提供真空绝热条件；充气系统则为真空室的壁处理和等离子体放电提供工作气体。真空抽气系统完成了总体布局设计，抽速和抽气时间计算;主泵、主阀、测量系统的选择和配备;完成抽气系统主泵和予抽泵16台合计58万元订货。真空抽充气系统的保护和控制已完成最终方案的设计。
　　低杂波电流驱动系统不断地给等离子体补充能量，是保证托卡马克实现长脉冲稳态运行的重要手段，而离子回旋共振加热则是另一重要手段。HT-7U3.5兆瓦的低杂波系统已完成技术方案的设计，完成了波功率和相位监控、波系统的保护及波源的低压电源的方案设计，准备先期建设的1MW波系统的高压电源及波系统天线的试验件正在制造过程中。离子回旋共振加热已完成波系统的总体设计，确定了4MW/30-110Mhz的波系统方案；完成了波源设计，并正在建造一台1MW，脉冲可达1000秒的射频波源，预计2001年中建成并调试；已完成天线的调配系统设计，并正进行加工前的台面试验。
　　总控与数据采集系统是对整个装置进行实时监测、控制与保护的分布式计算机网络系统。目前总控系统的安全巡检系统、中央控制系统、脉冲充气系统均已完成程序的设计，正在进行调试和预演；中央定时系统正在与国内相关单位合作研制，局域控制网正处于实施阶段。数据采集系统的VAX-CAMAC采集系统、PC-CA MAC采集系统、PC采集系统、VXI采集系统、分布式数据服务器、数据检索系统和数据采集管理系统均已完成程序设计，正在进行诊断测量系统是一双双监视等离子体的眼睛，给出等离子体在不同的时间和空间的品质特性。除了HT-7上准备移到HT-7U上的诊断测量设备外，作为托卡马克上的最重要的测量系统之一的电磁测量系统正在进行物理上的计算和磁探针、单匝环、Rogowski线圈、逆磁线圈、鞍形线圈等测量线圈的设计，由美国德克萨斯大学赠送的新型CO2激光器正在调试，它将用在HT-7U的远红外诊断上，其他诊断系统也在进行物理上的准备或设备上的准备。　中国在1956年制定的“十二年科学规划”中决定开展核聚变研究，经过不懈努 力，到二十世纪八十年代，建成了中国环流器一号HL－1以及HT－6B、HT－6M等一批有影响的聚变研究实验装置。
　　中科院等离子体物理所成立于1978年9月，主要从事高温等离子体物理和受控热核聚变及其相关高技术研究，以探索、开发、解决人类无限而清洁的新能源为最终目的。它是中国最重要的核聚变研究基地之一，是世界实验室在中国设立的核聚变研究中心，也是国际受控热核聚变计划ITER中国工作组最重要的单位之一。
　　在探索新能源过程中，等离子体所先后建造了中小型托卡马克HT-6B和HT-6M，以及超导托卡马克核聚变HT-7和全超导托卡马克核聚变EAST。目前尚在运行的HT-7超导托卡马克装置是中国第一个超导托卡马克，其实验研究取得了多项重大成果，是继法国之后第二个能产生分钟量级高温等离子体放电的托卡马克装置。
　　EAST装置的主机部分高11米，直径8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。其实验运行需要有大规模低温氦制冷、大型高功率脉冲电 源及其回路、大型超导体测试、大型计算机控制和数据采集处理、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热、大型超高真空、以及多种先进诊断测量等系统支撑。学科涉及面广，技术难度大，许多关键技术目前在国际上尚无经验借鉴。特别是EAST运行需要超大电流、超强磁场、超高温、超低温、超高真空等极限环境，从芯部上亿度高温到线圈中零下269度低温，给装置的设计、制造工艺和材料方面提出了超乎寻常的要求，其难度可见一斑。
　　在EAST装置研制过程中，等离子体所发展了一系列高新技术，一些技术国际领先，并有着广泛的应用前景，如大型超导磁体、超高真空、偏滤器、超导导体生产等技术。还有一些独创 的技术得到国际同行专家的赞赏和借鉴 ，如将高温超导接头技术运用到托卡马克，并取得相当好的效果，极大地提高装置效率，目前该项技术已被国际ITER项目借鉴。
　　EAST的建设和投入运行为世界近堆芯聚变物理和工程研究搭建起了一个重要的实验平台，为我国磁约束核聚变研究的进一步发展，提升中国磁约束聚变物理、工程、技术水平和培养高水平人才奠定了坚实基础。EAST是世界上唯一投入运行的全超导磁体的托卡马克装置，将为国际热核聚变实验堆（ITER）的建设及聚变能的发展做出了重要贡献。

　　激光核聚变装置是利用高能激光束轰击核燃料，使其产生自给能量的可控核聚变的装置。
　　
　　世界上最大的激光聚变装置2009年5月29日在美国加利福尼亚州北部的利弗莫尔劳伦斯国家实验所举行落成典礼。
　　1999年6月吊装靶室据利弗莫尔劳伦斯国家实验所发表的新闻公报，这个激光聚变装置名为“国家点火装置(NIF)”，被安置在一幢占地约3个橄榄球场地的10层楼内，它由美国能源部下属国家核安全管理局投资，从1997年开始建设，总共耗资约35亿美元。这一装置能产生类似恒星内核的温度和压力，国家点火装置可以把200万焦耳的能量通过192条激光束聚焦到一个很小的点上，从而产生类似恒星和巨大行星的内核以及核爆炸时的温度和压力。在此基础上，科学家可以实施此前在地球上无法实施的许多试验。
　　美国国家战火装置实验室位于加利福尼亚公报说，国家点火装置共有3个任务，第一个任务是让科学家用它模拟核爆炸，研究核武器的性能情况，即作为美国核武器储备管理计划的一部分，保证美国在无需核试验的情况下保持核威慑力。第二个任务是使科学家进一步了解宇宙的秘密。科学家可使用国家点火装置模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，进行科学试验。这些试验大部分不会保密，将为科学界提供大量此前无法获取的数据。第三个任务是保证美国的能源安全。科学家希望从2010年开始借助国家点火装置来制造类似太阳内部的可控氢核聚变反应，最终用来生产可持续的清洁能源。设备负责人摩西博士说，“国家激发实验装置”的竣工是一个历史的里程碑。
　　
　　核聚变有可能为人类提供几乎是取之不尽用之不竭的清洁能源，是科学家长期探索的领域。把和平利用核聚变能源的物理学理论转变为工程实际，是科学家梦寐以求的目标。
　　加州州长施瓦辛格在落成典礼上说，这一激光系统的建成将有可能使美国的能源结构发生革命性变化，因为它将教会人们驾驭类似太阳的能量，使其转变成驾驶汽车和家庭生活所需要的能源。
　
　　装置使用60年重800磅的晶体2010年，192束激光将被汇聚于一个氢燃料小球上，创造核聚变反应，打造出微型“人造太阳”。 当激光束的热和压力达到足以熔化小圆柱目标中氢原子的时候，所释能量要比激光本身产生的能量更多。氢弹爆炸和太阳核心会发生这类反应。科学家相信，总有一天通过核聚变而不是核裂变会产生一种清洁安全的能源。国家点火装置项目的主任爱德华·莫塞斯说：“现在它正在运行中，激光就在那里，目标物就在那里，我们已经证明了这一光学原理。但现在，证据要在发射过程中寻找。我们已经把它组装好瞄准了目标。这是科学家第一次做这种规模的实验。我们想要显示的是聚变能原理的科学证据。”

神光装置是我国自行研制的高性能高功率钕玻璃激光装置，现在已经发展到神光Ⅱ阶段。
　　人类的能源从根本上说来自核聚变反应，即发生在太阳上的“轻核聚变”。人类已经在地球上实现了不可控的热核反应，即氢弹爆炸。要获得取之不尽的新能源，必须使这一反应在可控条件下持续地进行。为实现这一理想，科学家们用托卡马克装置开展“磁约束聚变”的研究。另一条技术路线于20世纪60年代初提出。它的基本原理是把强大的激光束聚焦到热核材料制成的微型靶丸上，在瞬间产生极高的高温和极大的压力，被高度压缩的稠密等离子体在扩散之前，即完成全部核反应，这就是“惯性约束聚变”（ICF）。一些国家的实验室已经在这类激光装置上作了大量的基础研究工作。美国、法国等已着手建造更大规模的巨型激光器，期望实现激光热核“点火”。
　　神光Ⅱ装置建于上个世纪90年代，是当前我国规模最大、国际上为数不多的高性能高功率钕玻璃激光装置。它在规模上处于世界上正在运行的同类装置的第四位，2000年运行以来性能稳定，光束质量及运行输出指标要求已与当今国际高水平的大型激光驱动器光束输出质量水平相当，具备了高水平运行的综合技术能力。该装置上进行的物理实验已取得一系列阶段性重大成果，其中惯性约束聚变直接驱动打靶，获得单发4×10中子，是国际同类装置获中子产额的最好水平,为我国惯性约束聚变研究做出了重大贡献。神光Ⅱ为我国惯性约束聚变、X光激光、材料在极高压状态下的参数测量等前沿领域开展科学研究提供不可替代实验手段，是该领域的重要实验平台。
　　它的建成并投入运行，标志着我国大型强激光和激光核聚变研究跨上一个新台阶，跻身于世界前五强，对提高综合国力具有重要意义。超强超短激光技术，是在1000万亿分之几秒的超短瞬间，产生相当于全世界电网数倍功率的超强激光，这是上个世纪90年代以来强激光技术伴随着现代科学发展产生的一项尖端高新技术。这项高新技术，可以揭示物质和化学反应过程中快速演变的科学奥秘，同时也可以模拟出只有在天体或核爆炸过程中才可能有的高压、高温、高密度的极端物理条件。更具有重大科学意义的是，开拓了激光和物质相互作用的新理论、新方法，开创了强场物理这一新的物理学发展方向，直接推动了激光与生命科学、材料学、信息科学等前沿交叉领域的学科发展。
　　神光Ⅱ阶段性成果的推广应用不仅为即将建造的下一代激光装置提供极为宝贵的科学技术经验，而且带动了我国材料科学 （激光玻璃、激光晶体、非线性晶体）、精密光学加工与检验（λ/10高平面度、低粗糙度、大口径光学元件研磨技术、金刚石车床飞刀切削大口径KDP晶体技术）、介质膜和化学膜层技术、高质量大口径氙灯工艺、精密机械和装校工艺及高压电能源系统、快速电子学、控制电子学、二元光学技术等相关学科或技术的跨越式发展。而这些相关学科技术在国民经济中的应用前景将是相当可观的。
　　神光系列装置研究的最终目标是实现激光受控热核聚变“点火”。

磁约束热核聚变　　
　　magnetic-confinement thermonuclear fusion
　　一类受控热核聚变。用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出原子核所蕴藏的能量。磁约束热核聚变是当前开发聚变能源中最有希望的途径，是等离子体物理学的一项重大应用。
　　受控热核聚变的基本条件 　对于原子核聚变反应中反应截面最大、相对容易实现的氘-氚聚变,要实现控制，最终建造可提供有增益的聚变能的热核聚变反应堆，必须具备一些基本的物理条件。
　　①把高度纯净的、氘和氚的混合材料,加热到1亿度以上，即达到所谓热核温度。在这样的超高温度，氘氚混合气体已完全电离，成为氘、氚原子核和自由电子混合而成的等离子体。
　　②从常温下处于分子状态的氘、氚材料开始，一直到上述热核温度的整个加热过程中，把这个尺寸有限的等离子体约束起来，使组成等离子体的原子核在发生足够多的聚变反应之前，不至于失散。定量地说，对于氘氚聚变，需要满足下列条件 ，
　　式中n是单位体积(米)等离子体内原子核的数目（等于同一体积内自由电子的数目）;τ是一个带有平均热动能的高速电子或原子核在等离子体内停留的时间。这个条件称为约束条件，或劳孙判据，它是根据氘氚聚变的反应截面并考虑了等离子体整个加热和产能过程中热能转换实际可能的效率而得出的,是聚变反应堆产生功率(能量)增益所必需满足的最低条件。例如,当氘氚混合体的原子核密度(指的是数密度，下同) n为10τ米时，要求每个电子及原子核在等离子体内停留的时间，平均达到1秒以上。
　　基本原理 　根据氘氚聚变的反应截面计算，一团氘氚混合气体,需要达到10千电子伏(等于1.16×10开)以上的温度，氘、氚原子核才能得到足够高的速度来克服它们相互之间的静电排斥力而接近到有足够的几率穿透核势垒，发生聚变，从而释放出核内蕴藏的能量，并超过轫致辐射等能量损耗而提供能量增益。10千电子伏的温度为标准状态温度(273开)的42500倍。在这样的高温下，已经完全电离的氘氚等离子体，如果保持它原来作为气体在标准状态时的密度，则它的压强会达到170000大气压（由于每个氘氚气混合体分子电离成为两个原子核和两个自由电子,分别产生压力，因此得到4倍于未电离时的压强）。因此，除非是用高密度的向心聚爆（见惯性约束聚变）等尚在探索中的、高度困难的方法，人们只能指望在较稀薄的等离子体密度，例如10τ米中进行受控的氘氚热核聚变。即使这样，一般的容器也无法使用。因为，任何材料的容器壁都不可能承受这样的高温，而且器壁一和高温等离子体接触，受到等离子体内发出的高速粒子和辐射的强烈轰击，放出杂质进入等离子体，就会导致等离子体的冷却而使热核反应停熄。另一方面，在这样的高温稀薄等离子体内，原子核的平均自由程很长，原子核形成后立即四散飞行，穿出等离子体，两个原子核碰撞发生聚变的几率很小。在温度为10千电子伏的氘氚等离子体中，自由电子的运动速度平均约为4×10米／秒，氘核和氚核的速度平均约为6×10米/秒。根据带电粒子碰撞理论计算,在10τ米的密度中，这样速度的粒子，两次弹性碰撞(偏转90°)之间的平均自由程约为10米。就是说,氘氚聚变等离子体的大小尺度需要达到10米,即10公里，粒子之间才有足够的互相碰撞的机会。即使在这么大的等离子体中，由于聚变反应的截面(10厘米)比带电粒子互相碰撞的截面(10厘米还要小很多,发生聚变的几率还是太小，不足以取得有实用意义的聚变功率。
　　换一个估算方法。在尺度为10米这么巨大的,密度10τ米、温度10千电子伏的氘氚等离子体中，按等离子体的大小和粒子自由飞行的速度计算，一个自由电子在它里面停留的时间，平均仅为0.03秒，远小于受控热核聚变基本条件所要求的1秒;聚变发生的能量大部分都会被自由电子带走而损失掉。
　　总起来看，尺度为1000公里的超高温稀薄氘氚等离子体，过于庞大，不可能期待它成为经济上有利的能源。必须寻求一个办法，把热核聚变等离子体缩小，使制取聚变能的机器设备不致于过分巨大。现在，依靠磁场对等离子体的约束作用使热核聚变等离子体的体积几个数量级地缩小的方法,经过多年的研究,已经取得成效。磁约束是个复杂的过程。它的第一步，也是磁约束首要的作用，可以用处于均匀磁场中的等离子体的运动情况来说明。
　　图1表示一个放在磁场中的长圆柱形等离子体，磁场原来是均匀的，强度为Bo，磁力线平直而均匀分布，等离子体圆柱沿磁场Bo方向放置。组成等离子体的带电粒子的运动可以分解成两个分量，平行于磁场的速度分量为v〃，垂直于磁场的速度分量为v寑。按照法拉第电磁感应定律，带电粒子运动切割磁力线时，会受到电磁感应产生的洛伦兹力的作用，洛伦兹力的大小为qvBsinθ，方向和粒子速度v及粒子所在处的磁场B垂直,式中q是粒子所带的电荷，θ是v和B之间的夹角。对于粒子在平行方向的运动,θ=0,洛伦兹力为0,不受磁场的影响，因此粒子保持它原有的速度v〃沿磁力线方向运动。对于粒子在垂直方向的运动,θ=90°,洛伦兹力为qv寑B0，这个力使粒子在垂直于B0的平面上作圆形的回旋运动,作这一圆周运动所需的向心力mv嵟/r由洛伦兹力提供，即qv寑B0=mv嵟/r,式中m是粒子的质量,r是圆周的半径。由此可推得，粒子回旋运动的半径为 r＝mv寑/qB0。例如，磁场为1特斯拉时，能量10千电子伏的氘核或氚核，平均的回旋半径不到2厘米;同样能量的自由电子，回旋半径才0.02厘米。平行运动和垂直运动叠加起来，在磁场中等离子体的带电粒子就好像串绕在一条一条磁力线上，沿着磁力线作半径微小的螺旋形运动，直到粒子之间的碰撞使它们离开各自原来串绕的磁力线。而这种碰撞，平均起来说，要等到一个粒子绕行的总距离达到一个平均自由程时，才会发生；而且，按照无规行走的统计规律，每碰撞一次，一个粒子平均地说也只偏离原来串绕的磁力线一个回旋半径的距离。以上就是磁约束等离子体的微观图像。
　　进一步考察可以看到，每一个作螺旋形运动的带电粒子，就是一个微小的螺旋形的电流。这个微小电流产生的磁场，无论是电子或离子，按法拉第电磁感应定律，基本上是和外加的感应磁场B0方向相反的，是一种抗磁性。这些单个粒子所形成的微小电流，叠加的结果，宏观地表现为，在圆柱表面上横向流动的电流I（图1）。这个表面电流产生的磁场BI把圆柱内部原有的磁场B0抵消一部分，结果圆柱内的磁场为Bi=B0-BI，圆柱外的磁场仍为B0。用磁场压强的概念，等离子体圆柱外的磁压强为B娿/2μ,圆柱内的磁压强为B/2μ，式中μ为磁导率。圆柱外的磁压强大于圆柱内的磁压强，超过的部分即可平衡圆柱内的等离子体压强p，对它起到约束的作用。当
　　时，等离子体可以维持宏观的平衡，既不扩张又不被压缩。
　　由此就可得到一种利用磁场约束等离子体的、理想化的设备。这是一个很长的圆筒形的真空室，内充稀薄的氘氚气体；外面绕上导线所成的直螺线管，真空室内产生磁场来约束其中产生的等离子体。宏观地看，等离子体平常没有磁性，但一旦加上磁场时，等离子体中的带电粒子运动就发生变化，形成如上所述的粒子回旋运动，产生抗磁性，表现为磁性等离子体──一种抗磁性流体物质，从而被外磁场所约束。
　　按照磁场中粒子横越磁力线扩散的理论计算，圆筒形真空室中等离子体圆柱的直径不必大于1米,比不用磁场时,按热核等离子体中粒子自由飞行的情况所需的10米,缩小到10倍。这就是用磁场约束热核聚变等离子体的主要优点。但这种约束作用，只表现在垂直于磁场的方向；在平行于磁场的方向，等离子体仍没有得到约束，圆筒真空室仍需长达10米。等离子体沿圆筒真空室两端逸出损失，成为需要进一步研究解决的问题。
　　约束形态 　自研究核聚变以来，已提出了许多种磁约束途径，可按磁力线的形状分为开端和闭合两类，分别简述如下。
　　开端的磁镜约束形态 解决等离子体沿磁力线流失的问题，人们很早的一个想法是把长圆柱两端的磁场特别地加强，如图2,中间部分的磁力线平直均匀,磁场强度为B0,两端磁场的强度,增加到Bm。直筒真空室剖面磁力线的分布形状如图，两端磁力线还是开放的，因此称为“开端”。在这样的磁场形态中，沿着磁力线运动的带电粒子向端部区域接近时，有可能会被加强了的磁场反射回来，因此，这种磁场形态称为磁镜。整个安排是一个双磁镜系统。
　　现在说明磁镜反射带电粒子的原理。对于磁场随时间和空间的变化不是很剧烈的情况，在不均匀磁场中带电粒子的运动，遵从磁矩守恒的规律，带电粒子的磁矩（见绝热不变量）。设在图2系统的中部有一带电粒子, 运动速度为v，动能,运动方向和图2轴线即B0的方向成θ角,那么，这个粒子在垂直方向的动能为。当它沿磁力线朝着磁镜方向运动，磁场B增加时，成比例地增加,保持磁矩不变。由于粒子的总能量也守恒，因此它在平行方向的动能和速度,和v∥=vcosθ，会相应地减少。而粒子的运动轨道和图中轴线的夹角θ＝arctg(v寑/v∥)相应地增加。这样，直到v〃减少成为零，那时θ角达到90°,带电粒子不再前进，而只能反射回来，又重新得到平行方向的动能，于是，这个带电粒子就在等离子体中被约束在两端磁镜之间，在作快速微小的回旋运动的同时，不断地来回穿梭运动。
　　如果带电粒子在系统中间原来的速度，比较接近平行于轴线,到达磁境时它的轨道和轴线的夹角θ还没有增加到90°，那么，它就会穿出磁镜而散失，这就称为粒子的磁镜端损失。由前述磁矩守恒关系可以推出，带电粒子原来的轨道和轴线的夹角θ0有个限值θc ,
　　凡θ0小于这个有限值的带电粒子,都要由磁镜端损失掉。使用适当的磁镜比Bm/B0,等离子体中带电粒子的大部分可被双磁镜约束。被约束的粒子,和其他粒子碰撞后,如θ0变为小于θc，则仍会被损失掉。总的说，双磁镜安排改善了粒子的端损失，但还很难满足受控热核聚变所要求的约束条件。
　　磁镜系统的端损失，可以用更复杂的安排来作进一步的改善。例如，用多重的串级磁镜，以及注入特定分布的高、低能量的带电粒子和中性粒子及高频波来造成特殊的端部和边缘等离子体区，使系统中部和两端磁镜之间保持一定的静电电位差(静电约束)和温度差（热垒约束），以进一步约束中心的等离子体。利用这类原理的、典型的磁镜型热核反应聚变堆的设计参量一例：中心等离子体长度130米，直径0.98米，中心磁场4.7特斯拉；离子温度28千电子伏，电子温度24千电子伏，约束参量(n)5.2×10τ秒／米;聚变功率2.6×10千瓦,发电功率1.2×10千瓦。目前,以这样的聚变堆为目标,有的国家正在进行原理验证性的实验。同时，在开端的磁约束方法方面，还有更多的基础性探索研究。
　　磁力线闭合的环形约束形态 解决等离子体沿磁力线流失的另一种办法是把磁力线连同等离子体柱弯曲起来，使它的两端互相连接，成为一个环形，磁力线闭合起来。把一个导线绕成的长螺线管弯成一个环形，或者在环形的真空室外绕上线圈，就能做到这一点。不幸的是，在这样的环形磁场安排中，等离子体的运动发生了新的情况：组成等离子体的带电粒子发生一些漂移运动。最严重的一种漂移运动是带电粒子在磁场和静电场并存而后两者又不互相并行时发生的电漂移。如图3，在一个简单地用螺线管弯成的磁场中，环形等离子体内会出现一个沿子午面（环的小截面）的电场E，它和环向磁场B的方向垂直，这样，按照电漂移的规律，等离子体中的带电粒子，不分正负和快慢，因此，即整个等离子体，都以同一速度v＝E/B迅速向侧面漂移而碰壁散失。
　　环形磁约束等离子体中的电场E 是由带电粒子的另一类漂移运动即磁漂移所造成的。在磁场中磁场强度存在梯度时即磁力线发生弯曲时，磁场梯度本身和带电粒子沿弯曲的磁力线运动时的离心力两者合起来使带电粒子发生漂移，正、负粒子漂移的方向相反。因此，在简单的环形磁场安排中，带电粒子按照正、负，分别朝着图3等离子体柱截面的上方和下方漂移，造成电荷正负分离积累，有如在电容器的两端，这样上下分别积聚的电荷就产生了电场E。
　　磁力线的旋转变换 解决简单环形磁场中正负电荷分离因而发生电漂移的基本方法是,使磁力线来一个"旋转变换"。如图4，在环的小截面上取一个半径为r的小圆周,其中心线是大圆周的环形轴线。取一条经过小圆周上A点的磁力线,在简单的环形磁场中，每一条这样的磁力线都是和环形轴线相似的一个大圆周。假定现在给这磁力线加上一个沿小圆周（子午面）的切线方向的磁场分量（称为“极向场”分量），使磁力线沿环形前进时向箭头所指的方向扭转，变成一条螺旋形扭曲的磁力线，它沿环形走一圈后回到了小圆周上的A┡点，这样继续不断地沿环形多次绕行，最后形成由这条磁力线连续编织成的一个环形筒状的“磁力线面”（简称“磁面”），这样，整个磁场就由一个套一个的环形筒状磁面构成。这就是磁力线的“旋转变换”。螺旋形的磁力线的螺距的尺寸、和环形轴线大圆周的半径同一数量级，比粒子的回旋半径大得多。当一个带电粒子沿这样的磁力线运动时，漂移的情况发生变化。因为，这个粒子在不断地绕环形轴线OO┡旋转,它相对于环形轴线OO┡的上下左右位置不断地改变,而粒子磁漂移的朝上还是朝下则由整个环形向里弯曲这一特点和粒子电荷的正负所决定，没有变，因此，如果这个粒子开头是向上漂移而离开轴线OO┡，到后来它仍旧向上漂移,就变成向轴线OO┡接近，平均起来，距离轴线为r不变。这样，总起来就避免了粒子磁漂移所造成的电荷分离。
　　环流器磁场形态 以简单的环形磁场B为基础,加上一个垂直方向的“极向磁场” Bp,即在环的小截面上的一个旋转式的磁场分量，来造成磁力线的旋转变换，其方法之一是，在等离子体内设法产生一个环形的电流IP（图4）,这个环形电流按安培定律的右手法则产生极向磁场Bp。利用这一原理而所用的极向场Bp的值平均不大于 (a/R)B（式中R和a分别为等离子体环形轴线大圆的半径和小截面的半径）的环形磁约束装置称为环流器（译名托卡马克），这是目前在实验上最有成效的磁约束形态。
　　下表列举了最新一代的环流器实验装置，它们也是目前在国际上规模最大的磁约束装置。它们的设计参数，都以实现受控热核聚变在等离子体物理上所要求的两个基本条件为目标。当前，用环流器原理设计的，实用的热核聚变反应堆的规格、尺寸和磁场强度等，一般不超过这些装置相应指标的一倍。
　　环流器等离子体的加热 　如何把磁约束的等离子体加热到 1亿度（即10千电子伏）左右或更高的温度。就实验上领先的环流器途径而言，30年来先后开展的加热方法主要有如下三类。
　　①欧姆加热。利用环流器等离子体中流通的，用于产生磁场旋转变换的环形电流IP，对等离子体本身进行欧姆加热，这样的加热遵从理论上推广了的欧姆定律。随着温度的升高，环形等离子体的电阻迅速降低（这一点和金属导体的行为相反），加热效率下降。需要采取特殊措施，才有可能达到建造聚变堆所需的温度。目前，大量的实验研究仍在继续进行。
　　②中性粒子束注入。将强流离子束，经过气体交换室进行电荷交换变成中性粒子束，然后注入磁约束装置。在环流器上一般用于在欧姆加热基础上的二级加热。是迄今为止取得温度最高的加热方法。所用的中性束，粒子能量为100千电子伏左右，功率为10～30兆瓦。
　　③射频波加热。利用等离子体外输入的，适当频率的各种电磁波，通过等离子体内电子回旋共振（频率约60～120吉赫）、离子回旋共振（频率约30～120兆赫）、或混合共振（频率2吉赫等）的机制,进行吸收加热。目前主要是原理性实验。准备中的大型实验，射频功率为3～30兆瓦；小型实验使用的功率可相应地减少。
　　将来采用的方法，有可能是几种加热方法有程序的、时间空间上的优化结合。在这类结合过程的研究中将会出现许多新的物理问题。
　　环流器实验的进展 　近年来环流器类型的磁约束装置实验及理论和计算分析得到的，关于磁约束等离子体的规律性知识，代表了等离子体物理学的广泛而较为深入的前沿新发展。
　　这方面主要的成果之一是，确定了一些重要参量在一定范围内适用的比例规律(也称变标规律、定标定律)。其中，首先是关于等离子体能量约束时间τE和约束条件参量nτE的比例规律。由最近的大型环流器归纳出来的结果表明，随着等离子体尺寸的增大，τ和nτE的增加比等离子体尺寸的平方要快些。另一个实验结果，等离子体的温度平均地正比于单位体积内注入的二级加热的功率。最新一代大环流器目前已经达到的温度和约束参量略见表。在这个基础上，根据已经得到的，nτE和T的比例规律，实现这些装置的目标将是可能的。这也就是说，受控热核聚变的科学可行性，将通过环流器上的实验，得到证实，目前计划将在20世纪80年代末实现。
　　关于磁约束热核聚变的等离子体物理学，主要内容有两个方面。一方面是历史性的知识积累，以受控热核聚变的科学可行性的验证为总目标的许多原理性实验，其中包括各种热核聚变途径的探索。除了环流器和开端的磁镜约束形态；还有其他多种磁约束途径正在研究中。第一代实用聚变堆的堆型尚待将来在改进型的环流器和其他途径中进行比较选定。另一方面是在这些探索、研究过程中现在已经形成的，物理学的一个新分支，磁约束等离子体物理学。

　惯性约束聚变：实现受控热核聚变 的途径之一。它依靠激光束加热氘氚靶丸，由于粒子的惯性，在尚未严重飞散之前完成适度的热核聚变。 激光 技术的发展为实现受控热核聚变提拱了条件 ，现代激光技术能产生聚焦良好的能量巨大的脉冲光束。采用多路高强脉冲激光对称地集射到球形氘氚靶丸上使之加热 ，表面消融为高温等离子体 ，高速喷射出来产生强大的反冲力，挤压靶芯，使之温度和密度急骤升高而发生聚变。除了采用激光束外，也可采用电子束或离子束。
　　在进行磁约束研究的同时，20世纪60年代以来，由于激光的出现，在受控聚变的领域，出现了一支强大的新的生力军——惯性约束。
　　在地球上，聚变能最先是通过惯性约束，在氢弹中大量产生的。在氢弹中，引爆用的原子弹所产生的高温高压，使氢弹中的聚变燃料依靠惯性挤压在一起，在飞散之前产生大量聚变。但是氢弹爆炸时，每次释放的能量太大，使得人类难以利用。如果我们不是用原子弹，而是用其他办法，有节奏地引爆一个个微型氢弹，就能够得到连续的能量供应。这种理想，在20世纪60年代激光问世以后，就有了实现的可能性。
　　为了加大激光引爆的效率，一般是对称地布置多路激光，同时照射直径1毫米左右的氘、氚实心或空心小丸。在十亿分之几秒的时间里，激光被靶丸吸收，周围形成几千万摄氏度的高温等离子体组成的冕区，发出比太阳耀眼得多的光芒，使靶丸大部分外层靶材受热向外喷射，由于反冲力形成的聚心冲击波，将靶芯千百倍地压缩，并产生上亿度的高温。依靠聚心压缩的惯性，靶芯在尚未来得及分散前发生聚变。
　　1963年，苏联科学院巴索夫院士，提出用激光引发聚变的建议。1968年苏联学者又用激光照射氘氚靶产生了聚变，证明激光聚变的概念是正确的。差不多同时，我国物理学家王淦昌教授，1964年也独立地向我国有关部门提出激光聚变的建议。根据这一建议，中国科学院上海精密光学机械研究所，从60年代起就开始准备激光聚变的研究，1973年实现了激光聚变，探测到聚变反应中释放出的高能量的中子。
　　但是1968年及1973年在苏联及我国的装置上，都只有个别的氘氚原子核发生了聚变反应。为了使激光聚变达到可以实用的规模，当时简单的计算表明，必须使激光的能量达到几千万到几十亿焦耳。要想得到如此大的激光能量，无论是当时或现在都是难以想象的。因此激光聚变虽然是可行的，却使科学家们望而生畏。