仿星器和托卡马克有什么区别？ 第1页

一、简介

目前，世界上有以中国为代表主要发展托卡马克和以德国日本为代表主要发展仿星器的两种道路。然而由于早期仿星器的粒子损失大，和理论与实验表明“pump-out”造成输运系数低下的现象，国际盛行托卡马克一直持续到今天。最近Wendelstein 7-X创造的最高的能量密度和最长的等离子放电时间表明，在开发仿星器中的聚变反应堆作为发电厂的替代装置方面已经取得了很大进展。托卡马克和仿星器，在约束等离子体的过程中聚变装置的技术和物理方面都具有各自的优点和缺点。目前，仿星器的多项数据远落后于托卡马克，因为两者的体积不同，最大的Wendelstein7-X仿星器也仅有中等托卡马克装置大小。

2. 磁场构型

对于环形等离子体约束系统，等离子体由磁场约束。为了在等离子体压力和磁力之间达到平衡，必须对环形磁场进行旋转变换。这种旋转变换可以防止等离子体粒子的引导中心朝向壁的曲率漂移。由 Spitzer 和 Mercier 提出 ，有三种不同的方式来扭曲磁场：1通过环形电流产生极向场；2围绕环旋转拉伸通量表面的极向横截面；3使磁轴非平面。托卡马克使用第一种方法，而仿星器使用后两种方法，即在托卡马克中，扭曲由环形等离子体电流产生，而在仿星器中由外部非轴对称线圈产生。托卡马克的磁场是轴对称的，可以约束所有无碰撞粒子，并且具有相对较好的等离子体约束性能。但是环形电流通常是由变压器产生的，这容易受到电流驱动的不稳定的影响。而仿星器无等离子体电流，因此能够在稳定状态下运行等离子体。但仿星器中更多不受限制的粒子轨道会导致高能粒子和热粒子的新古典输运。

在托卡马克中，螺旋磁场的旋转变换是由外部线圈产生的环形场与等离子体电流产生的极向磁场形成。在仿星器中，磁场完全由外部非轴对称线圈产生。[1]

对于几何参数方面。在托卡马克中，纵横比通常在 2.5-4 的范围内，球形托卡马克该值更小。在仿星器中，为了避免场线和配置对称性谐波之间的共振，该设备被设计为每个周期具有小的旋转变换，这导致目前的纵横比（R/a=5-12）比托卡马克大得多[2]。因此，托卡马克中的有效等离子体体积比仿星器中的大得多。

安全系数(q)和磁剪切(s=r∂q/q∂r)的分布在两个系统之间也非常不同。托卡马克通常在整个等离子体中以正磁剪切运行，而在仿星器中，剪切为负（非平面类型除外，它们可能具有零磁剪切）。另一个区别在于等离子体横截面的形状。在托卡马克中，等离子体横截面是环形对称的，而在仿星器中，形状随着环形角的变化而变化。

3. MHD 稳定性

Beta极限和密度极限是控制反应器装置基本设计和等离子体性能的两个关键要素。作为MHD不稳定性的后果，等离子破坏的发生将决定机器的使用寿命，尤其是与等离子粒子和能量排放相关的部件。脉冲运行引起堆中的热循环而引起的材料疲劳问题 。托卡马克中的等离子体电流构成一个自由能储存器 ，在破裂中会迅速释放自由能 ，从而引起机械结构的严重应变 ，这对操作可行性设置了限制。因此，主动控制 MHD 不稳定性成为反应堆托卡马克的一个严重问题。相比之下，对于仿星器来说，避免环形等离子体电流带来了很大的优势。由于仅存在两个小的等离子体电流 。一种是低碰撞时香蕉区压力梯度驱动的自举电流，另一个是用于补偿压强梯度的平行于磁感线的Pfirsch-Schluter电流。由于这两种电流都非常小，无法破坏大型MHD 模式。到目前为止，LHD在120000次放电后没有遭受破坏 [3].

在托卡马克中，自举电流的扰动可以激发新古典撕裂模式，自举电流与压力梯度成正比。当磁岛形成时，磁岛内的局部压力梯度通过平行于磁力线通量管的传输而减小，这导致自举电流的减小。在托卡马克中，这种负电流扰动会导致该岛进一步增长。然而，在仿星器中，由于磁剪切与托卡马克相反，磁岛内自举电流的减少使岛缩小而不是增长。因此，仿星器中的等离子体压力通常具有修复磁岛的功能。 [1]

在聚变等离子体中，可达到的最大密度限制大多由于杂质辐射随密度增加而增加而导致坍缩。在托卡马克中，辐射坍缩可能导致外部等离子体边界的快速冷却和电流剖面的收缩，在磁表面附近产生强烈的 MHD 不稳定性 ，从而导致剧烈的破坏，这通常遵循“Greenwald”极限缩放[4]。在托卡马克中另一种抑制等离子体密度的现象是来自边缘的MARFE，这是一个位于环面内侧的高辐射区域。MARFE被认为由于等离子体被辐射发射冷却，冷却本身导致发射的辐射增加，因此进一步冷却[5]。在仿星器中，由于没有环形电流，“Greenwald”极限不存在，相反密度受到吸收功率以及磁场和等离子体体积的限制。因此，仿星器通常以比托卡马克更高的密度运行。在LHD中，已经获得了密度>1 × 10 21 m -3的超高密度等离子体 [3] 。

4. 运输

4.1. 新经典输运

在环形装置中，环面内侧的磁场比外侧的强。磁场的曲率和梯度会导致等离子体漂移。这种碰撞输运被称为新古典输运。上个世纪70年代新古典理论预测仿星器的输运损耗严重，但80年代的研究表明输运损耗与磁场构型的联系十分紧密。对于仿星器，在低碰撞性的情况下，由于螺旋磁纹波的影响，步长可能非常大。这可能会破坏输运。托卡马克的输运随着碰撞频率的变化通常分为三个区：香蕉区，Pfirsch-Schluter区和它们之间的坪区。对于电子和离子， 在香蕉和 Pfirsch-Schluter 状态中，扩散系数随ν增加 。在碰撞频繁平均自由程较短时，仿星器与托卡马克的新古典输运基本一致。但在较低碰撞频率与较长平均自由程的情况下仿星器的输运系数为v^0.5和1/v反比于碰撞频率的增大。因此在ν^ 0.5和1/ ν状态的低碰撞性下，仿星器中的扩散系数远大于托卡马克。因此在仿星器中，新古典输运损耗在高电子温度下占主导地位，可以通过在等离子体中心增加强径向电流，大大改善输运系数。

4.2. 能量限制

为了在聚变装置中获得热核条件，必须将等离子体约束足够的时间。与等离子体放电持续时间不同，能量限制时间 (τE) 定义为等离子体储存能量 W 除以吸收热功率 (P) 减去等离子体能量变化，即 τ E=W /( P-dW /dt )。等离子体约束方法通常可以分为四类：(1) 欧姆加热等离子体；(2) 低模式模式(L-Mode)，其中限制随着加热功率的增加而降低；(3) 高模式(H-Mode)，当施加足够的功率时限制突然改善；（4）通过内部传输势垒（ITB）和反向磁剪切增强限制[1]。

ISS95标度预测与来自托卡马克（ITERL模式）数据库和仿星器数据库的实验数据的比较如图 3（a）所示，最近的 LHD 数据如图 3（b）所示. 结果表明参数相关性具有良好的一致性。

W7-A、Heliotron-E的实验表明，等离子体的能量约束随电流下降而增长。因此仿星器在能量约束方面有先天的优势。然而，对于限制时间缩放，托卡马克和仿星器之间出现的明显差异是同位素效应。从上面的实验结果中可以看出 ，对于托卡马克，离子质量的正功率指数表明对较重离子的约束更好，而对于仿星器，这种效应要弱得多，有时对较轻离子的约束性能较好。这种同位素效应对 D、T 混合等离子体的约束特性产生了有利影响，但从碰撞输运模型的角度来看，这是一种反常理的现象。因为碰撞输运和湍流结构的特征行程都随着等离子体回旋半径的增加而增加，增加同位素的质量将意味着更多的进入v^0.5区和1/v区从而降低输运系数。托卡马克和仿星器之间比较研究的最新实验结果表明，托卡马克中从氢到氘等离子体的纬向流增加的证据，而仿星器中的纬向流受到阻尼，这表明同位素质量可能对纬向流产生影响，从而对等离子进行限制。这些结果与理论预测一致[8]。

5. 先进仿星器

先进仿星器包括扭曲器与模块式仿星器，是用多个非平面线圈构造的磁约束系统。对于仿星器的优化，需要考虑的重要问题是减少新古典传输和增强MHD稳定性。当等磁线形成连续的闭合曲线时，会产生与“omuigenous”场，抵消了与托卡马克在传输系数上的差距。有准等磁线和准对称性两种实现的方法。准对称仿星器磁场在某个方向对称，减小了等离子体的阻尼，从而改善了MHD的稳定性和减少了喘流输运。对于准对称仿星体，不存在 ν 0.5 和 1/ ν 输运机制，漂移动力学方程与托卡马克中的方程接近，因此传输类似于托卡马克[1]。准等磁离线仿星器的等磁线沿极向闭合，每个周期内的磁面电流闭合。这导致了导致shafranov位移的由schulter电流在内外侧不同流向而产生的偶极电流减小，从而改善MHD稳定性，且获得更高的beta极限。这两种先进仿星器在理论上能解决仿星器约束性能较低的最大的缺点，然而不可能实现精确的准对称性，对称性的微小破坏有时会导致新经典输运的明显增强。

6. 总结

仿星器的优点在于：

1，能够稳态运行，不存在产生等离子体电流的困难。

2，仿星器无等离子体电流，因此增加了MHD稳定性，增加了使用寿命，还降低了对等离子体密度的限制。

3，仿星器磁面具有刚性，再增加一个垂直场后产生平均磁阱，而托卡马克无此性质，因此可以达到高于托卡马克的比压值。

4，在能量限制缩放方面，同位素效应不出现在仿星器中，

5，随机磁边界有利于偏滤器中的杂质保留。

6，一些漂移波模式在仿星器中更稳定。

7，是唯一点燃后不需外界能量的聚变装置。

8，相对较大的纵横比减轻了对设计的要求。

托卡马克的优点在于：

1，更强的环形旋转和相关的流动切变以及对纬向流动的较弱阻尼。

2，新经典输运更低。

3，技术简单，成本较低。

仿星器的缺点是高水平的新经典输运，线圈和线圈支撑结构的制造和组装复杂。托卡马克的缺点在于等离子体电流的产生困难。

目前，仿星器所取得的实验参数已经优于同等规模的托卡马克[7]。由于非轴对称系统的自由度大于轴对称系统，仿星器中可能的磁场配置远多于托卡马克。为了进一步优化仿星器配置，提出了先进仿星器。如果新古典输运的限制可以得到改善，那么仿星器是核聚变堆更好的选择。

引用

[1]https://suiqueying.blogspot.com/2021/07/a-general-comparison-between-tokamak.html

[2]https://doi.org/10.1088/0741-3335/40/1/002

[3]https://doi.org/10.13182/fst10-a10789

[4]https://doi.org/10.1088/0029-5515/21/9/003

[5]https://doi.org/10.1016/0022-3115(87)90306-0

[6]仿星器（实验）

[7]仿星器研究的进展

[8]https://doi.org/10.1088/0029-5515/51/12/123003

上面已经说的很好啦~

补充一些基础内容，图片、视频和新的结果~

直观的区别——

托卡马克就像个游泳圈，帅！

仿星器，像个用松了的发箍——丑！

但是真把这么歪歪扭扭装置设计加工出来，真的是超级难啊。

言归正传，原理上的差别——

简单讲，区别就是托卡马克的环形螺旋磁笼产生需要等离子体电流，仿星器不需要，直接通过外部线圈产生扭曲的环形磁笼。

稍微科普下：

可控核聚变难点在于聚变的产生与聚变物质的约束方法。产生就不说了。

地球上公认可行的约束方式有磁约束和惯性约束。

为什么不能用电约束呢？因为无法构造出三维的闭合电场。（谢@ruran君提醒，有静电约束装置fusor，内部是阳离子~ 有兴趣可以DIY，详见： Fusor.net）

为什么不能用重力约束呢？审题！地球上~~

惯性约束行不行呢？笔者是做激光的，说句得罪同行的话，惯性约束是个坑。对，神2神3是大坑，NIF是天坑。激光能做到千赫兹吗？靶怎么换？单说增益有什么用！用万院士的话说：你用一分钱赚了一毛钱，然后说你多牛逼能赚大钱，合适吗？

这些点火装置基本上都是干别的活的，打着发展新能源的幌子模拟核爆什么的。（这部分不多扯，免得查水表了。）

那就只剩下磁约束了。

磁约束首先要构造封闭的磁力线，否则带电粒子沿磁力线自由运动，hold不住，飞出去就损失掉了。

那么最简单直接的搞法是，一系列通电线圈沿着大环围出一个环形磁场。

假设此时仅存在外部磁场，此时磁场是一系列的同心圆磁力线，且内侧磁场强度大于外侧，带电粒子受磁梯度力的影响，会导致电荷分离电场，进而造成等离子体整体向外漂移：

也就是说这种简单磁场无法约束带点粒子。那么如果构造一个如下图所示的磁力线，每根线既过上边也过下边，可以抵消电荷分离。

具体以含铁芯变压器的托卡马克为例，如下图：

初级线圈、铁芯和环状的等离子体共同组成了一个变压器，初级线圈将电流加至最大后突然撤销，铁芯产生变化磁场，通过变化的磁场在环形等离子体中感生一个大电流，电流再产生一个极化的磁场（poloidal magnetic field），这个极化磁场加上原先的环形磁场（toroidal magnetic field），合成一个环形螺旋的磁场（twisted helical magnetic field）。

另外由于存在热膨胀力和中心内环向外的磁压力，等离子体环会向外膨胀扩散，需要再加一个垂直环面的极化磁场将等离子体流体向内推，使稳定在平衡位置。因此托卡马克装置的磁容器由三部分组成：环形磁场+等离子体电流磁场形成环形螺旋场，极向磁场控制约束高温等离子流体的平衡位形。

极化磁场通常比环形磁场小得多，因为较强的环形磁场有利于克服等离子流体的不稳定。一条磁力线绕小环一圈所需要绕大环的圈数，称为安全因子q值。通常q越大，等离子体环向电流越小，等离子磁流体的稳定性越好。

但托卡马克装置中，实际的等离子体电流高达上千万安培，这会带来一系列问题：扭曲模、磁面撕裂、磁岛产生等，都会降低对等离子流体的约束；失控的话轻则熄火重则爆炸，需要花大力气研究。

换言之，等离子体电流形成的极向磁场使得磁笼的构成非常简洁，但高温（10^8K）、大电流（10^7A）的控制令人煞费苦心。

============分=======割========线============

仿星器的做法就是：内部的等离子体电流不要了，把等离子体电流控制的难度转移为三维磁场设计和线圈加工安装的难度，直接通过外部复杂的线圈，在内部搞出闭合、扭曲的环状磁笼。

W7-X的磁容器设计【1】：

外部线圈为螺旋绕组，产生旋转变化的磁场。

3D模型：

50个蓝的是不规则超导线圈，20个黄的是普通环形线圈。

由于无等离子体环电流，运行更安全，有望建立小型、稳态反应堆。

仿星器懂的不多，不强答了。

分享两个科普：

W7-X仿星器介绍：

Germany is about to start up a monster machine that could revolutionize the way we use energy

网易公开课：可控核聚变 ——万元熙 院士

放两张帅照：

德国W7-X：

我国全超导托卡马克 EAST：

ITER太墨迹了。。。。

按上面的分析，iron man很可能是用的stellarator。逃~）

参考文献：

[1] Renner H, Boscary J, Erckmann V, et al. The capabilities of steady state operation at the stellarator W7-X with emphasis on divertor design[J]. Nuclear Fusion, 2000, 40(6): 1083.