为了实现持续、受控的核聚变，需要投入大量的资金和人才。人们提出了许多设计，甚至尝试过，但托卡马克无疑是最受欢迎的。这个名字可能很熟悉，但并不是每个人都知道它们是什么。
什么是托卡马克？
恒星将物质加热到如此高的温度，以致电子逃离其原子，形成等离子体。托卡马克是一种旨在容纳等离子体的装置，这样我们就可以将其弯曲到我们的意愿，这最终是为了复制发生在恒星核心的聚变。
在地球上，等离子体通常会与周围环境相互作用，失去能量并冷却下来，即使它不会熔化墙壁。为了避免这种情况，托卡马克使用强大的磁场将等离子体保持在环面中，这是我们最熟悉的甜甜圈形状（不是带有果酱中心的那种）。
许多较小的托卡马克已经建成，因此我们可以对等离子体的行为进行基础研究。然而，世界花费数百亿美元建造更大、更强大的版本的主要原因是希望我们最终能够在托卡马克内部获得足够的等离子体来融合以产生有用的能量。这通过施加在其核心的巨大引力，但这需要一颗恒星的物质才能做到这一点。希望托卡马克能够让我们在没有那么大质量的情况下做类似的事情。
当小原子核融合时，产生的原子核比制造它的成分稍轻。损失的质量以能量的形式释放。由著名的方程E=mc2，极少量的质量会变成大量的能量。当四个氢原子（或两个氘原子）聚变成为一个氦原子时，质量损失很小，释放的能量仍然很小。然而，如果你能设法融合稳定的原子供应，释放的能量就会变得巨大。
托卡马克应该如何工作？
由于等离子体由电子被剥夺的原子组成，因此它带正电。带电材料的运动可以通过电场或磁场来控制。托卡马克利用这一点将等离子体保持在甜甜圈形状内，而不让它接触任何东西并损失能量。
为了实现聚变，等离子体的温度需要非常高。与气体一样，等离子体如果不受限制就会膨胀，而且温度越高，阻止其逸出所需的压力就越大。这意味着托卡马克装置所需的场域必须非常巨大。
这些强大的磁场是通过将环面包裹在导电线圈中并通过它们施加大量电流而产生的。
ITER 托卡马克内部
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一旦电场足以将等离子体保持在需要的位置，就会传递能量脉冲，例如使用激光、离子束或称为 Z 箍缩的电流脉冲。原子核被如此紧密地挤压在一起，以至于在某些情况下它克服了原子核之间的排斥力，导致它们融合。
至少有一些剩余能量以热量的形式释放。理论上，它可以被捕获来加热液体，使其变成气体来驱动涡轮机。使用蒸汽驱动涡轮机是当今发电的主要方式，但当等离子体已经足够热以摧毁它所接触的任何东西时，这个过程当然要困难得多。一个流行的解决方案是融合和核在一起。除了产生氦气和热量外，反应还产生中子，中子以极快的速度带走大量能量。中子不带电，可以逃离磁场并加热周围的材料。
托卡马克做了什么？
几十年来，托卡马克一直被用来聚变原子核，但您可能已经注意到，电线中的电力都不是通过这种方式产生的。这是因为需要大量的能量来加热和容纳等离子体，然后引发启动聚变过程的脉冲。
目前，供应的能源远远多于生产的能源。
2022 年，人们对什么发生了很大的争论第一个具有正能量增益的受控聚变反应，即其能量输出大于其输入。进行这项工作的国家点火装置（NIF）并不是托卡马克，但有几个托卡马克是。
然而，虽然 NIF 声称，大部分报道都非常具有误导性。一个公认的问题是反应持续了超过几秒钟，但问题比这更大。
如果你观察激光输入能量并输出功率的单级，反应的输出只会超过输入。这忽略了所需的所有能量为设施提供电力以到达目的地，以及收集聚变反应中产生的能量的挑战。
考虑该过程的后期部分。燃煤和燃气发电站实际上只是效率 33%。燃料燃烧时会产生大量热量，虽然其中一些用于驱动涡轮机，但很多都被浪费了。有些以热烟气或蒸汽的形式释放到环境中，有些最终加热了发电站的墙壁，而涡轮机在将其旋转能转化为电能方面并不完全有效。
捕获托卡马克或其他聚变反应堆产生的热量的挑战将更大，因此几乎可以肯定效率会更低。如果反应堆产生的三分之二的热量从未转化为电能，那么我们需要释放三倍于所输入能量的热量，以使反应在实际能量为正值之前发生。
到目前为止，还没有任何一个托卡马克装置能接近这一点，而且在很多年内都不太可能实现。
即使在有用能量方面曾经是积极的，托卡马克在广泛使用之前还有很长的路要走。想象一下，如果您将 1 GW 的电力放入聚变发电厂并获得 1.1 GW 的电力。您处于领先地位，但您获得的能源比大多数现有发电站或大型风电场生产的能源要少。考虑到建造这样一台机器的巨大成本，您会想要更好的回报。
托卡马克是能源的未来吗？
有句老话说，聚变发电的实用化还需要二十年的时间——而且已经有二十年了。这在一定程度上是正确的，只不过助推器在二十年里一直承诺在二十年内提供聚变动力，现在已经六十年了，而不是二十年了。有时，承诺会变得更加雄心勃勃，例如洛克希德·马丁公司承诺建造一个可行的聚变反应堆 。那是十年前的事了，而且还没有交付的迹象。
这段历史意味着，只有非常天真的人才会相信核聚变即将成功的预测的表面意义。尽管如此，除非文明彻底崩溃，否则我们最终几乎肯定会实现实用的核聚变。它是否会主导我们的能源生产是一个更值得怀疑的命题。
核聚变首次被誉为能源的未来是在 20 世纪 50 年代，当时能源生产的主要成本是燃料。世界上大部分电力来自煤炭，开采煤炭既肮脏又危险。随着最好的煤炭站点被用完，成本最终会进一步上升。
人们推断，基于裂变铀（或钍）的核能意味着更便宜、更丰富的燃料，但除了废物处理问题外，这些燃料最终也会耗尽。在核聚变中，从海水中获得的燃料几乎不需要花费任何成本。一旦我们弄清楚了如何做到这一点，聚变怎么可能不是通往无限能量的道路，而能量又便宜得无法计量呢？
然而，如今，我们的电力越来越多地来自其他免费燃料来源，例如阳光和风。这并不意味着电费没有什么，因为安装费用是必须偿还的。
第一个聚变反应堆将耗资数百亿美元建造，并且必须与价格一直在下降的太阳能电池板竞争。，到那时可能会更便宜。 Fusion 有一大优势：它可以 24/7 全天候工作。尽管如此，建造一个有效的托卡马克装置的成本和利用其电力的能力可能是一个同样强大的太阳能发电场的许多倍。
因此，使用托卡马克装置是否有意义将取决于它们的建造成本是否低于太阳能电池板和电池（或其他存储方法）的总成本。这是假设它们保持相对于其他融合设计的优势。这个问题的答案可能会因地点而异。在靠近北极圈的地方，或者在执行太阳系外围任务时，托卡马克作为一种能源将是无与伦比的，但它们是否能够满足人类的大部分需求，或者仍然是一个利基市场，这是我们所赢的。 20多年来我都不知道。
