我们前面介绍高约束模式（H模）时，曾经提到早期的托卡马克装置依赖于等离子体内部电流产生的欧姆加热来提升温度。这种加热方式虽然基础，但在核聚变的发展历史中扮演了重要角色。今天，我们就来了解一下欧姆加热的原理及其在核聚变领域的应用。
欧姆加热简介
欧姆加热是一种利用电流通过导体时产生的焦耳热来加热物质的方法。在食品加工中，欧姆加热利用食品物料的电导特性，通过低频交流电源提供电流，在食品内部产生热量，实现快速且均匀的加热。而在核聚变领域，欧姆加热是利用电流通过等离子体产生的热量来提高等离子体的温度，是实现受控热核聚变的一种基本加热手段。
欧姆加热原理
欧姆加热是基于焦耳定律的一种加热方式，该定律指出，当电流通过导体时，导体会因电阻而产生热量。具体来说，焦耳定律的公式可以表示为：
其中：
- 𝑃是产生的热量（功率），
- 𝐼是通过导体的电流，
- 𝑅是导体的电阻。
在欧姆加热中，导体可以是任何具有电阻率的材料。当电流通过这种材料时，电子与原子核之间的碰撞产生了热量，从而加热了材料。
在核聚变研究中，欧姆加热的应用稍有不同。等离子体本身是一种电离气体，具有有限的电阻率。当电流通过等离子体时，根据欧姆定律，等离子体也会因电阻效应而加热。等离子体的电阻率 𝜂与它的温度有关，可以表示为：
其中：
- 𝑃是等离子体的加热功率，
- 𝑗是等离子体中的电流密度，
- 𝜂 是等离子体的电阻率，它随温度的升高而降低。在核聚变领域的应用
在核聚变领域的应用
托卡马克的工作原理基于磁约束的概念，通过创造一个强大的磁场“笼子”来悬浮并控制高温等离子体，避免与反应器壁接触。其结构由环向磁场线圈、环形真空室、欧姆磁场线圈和极向磁场线圈等关键部件组成。这些线圈共同作用，产生复杂的磁场，以维持等离子体的稳定性，并利用欧姆加热效应使等离子体温度升高。
主要过程：
首先，将多个圆形线圈排列起来组成环向磁场线圈，向其中通入电流，便会在环形真空室内产生圆环状的磁场线，即环形磁场。此时将一定量的工作气体注入到真空室中，并向欧姆磁场线圈通入电流，会产生一个新磁场。
环向磁场线圈产生环形磁场的同时，欧姆线圈中的电流逐渐增大，其产生的磁场也随之增强，变化的磁场产生了环向电场。真空室中的工作气体被电场击穿电离，产生等离子体，并在环向电场的驱动下形成环形等离子体电流。跟电阻中流过电流会发热一样，电磁场的能量会透过电流的热效应传递给等离子体使其温度逐渐升高（欧姆放电）。
环形磁场线密度分布不均（环路内侧比外侧半径小，内侧磁感应强度比外侧大），导致等离子体环有向外扩张的趋势，也就是“粒子漂移”现象。如果不采取措施，不仅会使等离子体急剧冷却，导致反应停止，甚至可能损毁真空室的容器壁。这时就需要在环形磁场外嵌套的极向磁场线圈发挥作用。极向磁场线圈和环形等离子体携带的巨大电流会产生极向磁场。该磁场与环形磁场相互作用扭成螺旋状。等离子体在该螺旋状磁场的作用下与向外扩张的力平衡，保持在一个既不靠内也不靠外的位置，从而消除磁场线疏密的影响，防止等离子体漂移，实现真正的“磁约束”。
在欧姆放电过程中，等离子体温度升高会引起它的电阻降低，受限于此，无法单凭欧姆线圈就将等离子体加热到实现受控热核聚变所需要的温度，需配合射频电磁波和中性粒子束注入等各种辅助加热手段，最终使核燃料达到1亿度聚变条件，实现点火目标。
在探索核聚变这一未来能源的征途上，欧姆加热虽然原理简单，却扮演了至关重要的角色。它不仅为等离子体提供了初始的温度，还与其他先进的辅助加热技术协同工作，共同推动了聚变研究的进步。随着技术的不断成熟，我们期待核聚变能早日实现，为世界带来清洁、高效的能源解决方案。
参考链接：
https://www.startorus.cn/fusion-industry/109.html