托卡马克（Tokamak）和仿星器（Stellarator）是两种主要的磁约束核聚变装置设计，它们都旨在实现等离子体的稳定约束以进行核聚变反应。今天我们就来说说这两种装置有什么不同？
托卡马克
托卡马克装置是一种利用磁场来约束高温等离子体的环形核聚变实验设备，它通过创造一个封闭的磁约束环境，使得氢的同位素如氘和氚在极高的温度和压力下发生聚变反应，从而释放出巨大的能量。这种装置的设计基于等离子体的稳定性和控制性，旨在实现持续和自持的核聚变过程，是人类探索清洁、可持续能源的重要途径之一。托卡马克装置因其独特的环形结构和使用超导磁体技术而闻名，其中最著名的国际合作项目包括国际热核聚变实验反应堆（ITER）。
托卡马克如何工作：由变压器引起的电场驱动电流（红色大箭头）通过等离子体柱，产生一个极向磁场，将等离子体电流弯曲成一个圆形（绿色垂直圆圈）。将等离子体柱弯曲成一个圆圈可以防止泄漏，并且在一个环形容器内这样做会形成一个真空。另一个围绕圆圈长度的磁场被称为环形磁场（绿色水平圆圈）。这两个场结合形成一个类似螺旋结构（黑色所示）的三维曲线，等离子体在其中受到高度约束。
仿星器
仿星器是一种先进的磁约束聚变实验设备，以其独特的三维磁场构型而著称。这种设备的设计核心在于使用外部线圈系统产生复杂的磁场，以约束和稳定高温等离子体。与托卡马克不同，仿星器不依赖于等离子体内部的纵向电流，而是通过外部线圈产生的旋转变换磁场来维持等离子体的稳定性。这些线圈包括精心设计的螺旋线圈，它们可以是两对或三对，配置以产生椭圆形或三角形的磁场面，从而有效防止等离子体粒子沿磁场线漂移到反应器壁上。
仿星器的等离子体通常被约束在一个扭曲的环形结构中，这种结构有助于提供更好的等离子体稳定性，并减少大的等离子体破裂的风险。此外，由于没有内部电流，仿星器理论上能够实现更长时间的等离子体约束，这是实现持续核聚变反应的关键因素之一。
两种装置区别
磁场构型
磁场构型是环形等离子体约束系统中的一个关键要素，它决定了等离子体如何被约束和稳定。在这种系统中，等离子体的稳定性依赖于磁场的精确设计，以平衡等离子体压力和磁力。为了防止等离子体粒子因曲率漂移而接触到反应器壁，必须对磁场进行特定的旋转变换。Spitzer 和 Mercier 提出了三种扭曲磁场的方法：
- 利用环形电流产生极向场，这是托卡马克所采用的方法。
- 通过围绕环旋转来拉伸通量表面的极向横截面。
- 使磁轴变为非平面形状。
仿星器采用了后两种方法。而在托卡马克中，磁场的旋转变换是由外部线圈和等离子体电流共同作用产生的，这种轴对称的磁场能有效约束无碰撞粒子，提供良好的等离子体约束。然而，这种环形电流可能受到电流驱动不稳定的影响。相比之下，仿星器使用外部非轴对称线圈来产生磁场，无需等离子体电流，可以在更稳定的状态下运行，尽管这可能导致新古典输运问题。
MHD稳定性
MHD稳定性，即磁流体动力学（Magnetohydrodynamics，简称MHD）稳定性，是指在磁流体动力学系统中，等离子体或其他导电流体在磁场作用下的动态稳定性。MHD不稳定性可能引发等离子体破坏，影响反应器的寿命，尤其是那些与等离子体粒子和能量排放直接相关的部件。脉冲式运行可能在反应堆内引起热循环，导致材料疲劳问题。
在托卡马克中，等离子体电流相当于一个能量存储器，在发生破裂时会迅速释放能量，对机械结构造成严重应变，限制了其运行的可行性。因此，控制MHD不稳定性是托卡马克反应堆面临的一个重要挑战。与此相对，仿星器由于缺少大的环形等离子体电流，具有明显的优势。仿星器中只存在两个较小的等离子体电流：一个是低碰撞性下由香蕉区压力梯度驱动的自举电流，另一个是Pfirsch-Schluter电流，用于平衡压强梯度。这两种电流的规模较小，不足以触发大型MHD模式，从而提高了设备的稳定性。例如，大型螺旋装置（LHD）即使在进行了120,000次放电后也未遭受破坏。
在托卡马克中，自举电流的扰动可能触发新古典撕裂模式，这种模式与压力梯度成正比。当磁岛形成时，岛内的局部压力梯度通过沿磁力线的通量管传输而降低，导致自举电流减少。在托卡马克中，这种电流扰动倾向于增加磁岛的尺寸。而在仿星器中，由于磁剪切的方向与托卡马克相反，自举电流的减少有助于缩小磁岛，从而具有自我修复的功能。
输运特性-新古典输运
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。
总的来说，托卡马克和仿星器在磁场构型、稳定性和输运特性上各有优势和挑战，两者都在核聚变研究中发挥着重要作用。对于这两种不同的聚变装置，你更感兴趣哪一种？欢迎留言分享你的看法，我们可以进一步探讨它们各自的优势和最新进展。
参考链接：
- https://baijiahao.baidu.com/s?id=1670832009643306244
- https://www.zhihu.com/question/27887855
- https://www.iaea.org/zh/jubian-neng/yong-tuo-qia-ma-ke-he-fang-xing-qi-shi-xian-ci-ju-bian-yue-shu