托卡马克装置：探索可控核聚变的前沿利器

核聚变是两个轻原子核聚合，生成新的更重原子核的过程，其反应释放的能量巨大。因该过程同太阳的发光发热过程一致，可控核聚变装置又称为人造太阳。随着全球能源需求激增和化石能源的不可持续性，可控核聚变被视为人类实现“能源自由”的终极解决方案。

托卡马克装置（Tokamak）作为一种重要的磁约束核聚变实验设备，在全球能源研究领域占据着举足轻重的地位。中国在托卡马克装置的研发和应用方面取得了显著成就，为人类探索可控核聚变能源贡献了重要力量。

一、中国·托卡马克装置

中国对托卡马克装置的研究起始于 20 世纪 60 年代，历经多年技术沉淀与探索，逐步构建起完善的研究体系，并取得了多项重要突破。以下是我国托卡马克装置的核心代表。

1、中国环流二号M装置（HL-2M）

▍技术地位：中国环流二号M装置（HL-2M）是我国规模最大、参数最高的托卡马克装置，由中核集团核工业西南物理研究院研制。该装置于2020年实现首次放电，并在2022年等离子体电流突破100万安培，创造了中国可控核聚变装置运行的新纪录。中国环流三号的建成和运行标志着中国在托卡马克装置技术方面达到了国际先进水平。

▍国际合作：2023年作为ITER卫星装置向全球开放，推动国际聚变数据共享与联合实验。

2、东方超环（EAST）

▍技术地位：东方超环（EAST）是中国自主研发的世界上首个全超导托卡马克核聚变实验装置，由中国科学院合肥物质科学研究院设计。2006 年，EAST 成功放电，其独特的非圆截面设计极大提升了对等离子体的约束能力，有效提高核聚变反应效率。

▷ 2018年首次达成1亿摄氏度等离子体运行，接近未来聚变堆的稳态运行条件。

▷ 在类似国际热核聚变实验堆（ITER）条件下，实现60秒稳态高约束模运行，为ITER提供关键数据支持。

▷ 2025年1月，实现1066秒长脉冲高约束模等离子体运行，刷新世界纪录。

3、中国联合球形托卡马克（SUNIST-2）

▍技术地位：SUNIST-2 是国内目前磁场最强、等离子体性能最高的球形托卡马克，由清华大学工程物理系设计、陕西星环聚能科技有限公司和清华大学联合建设。该装置于2023年7月建成并开展了首轮运行，获得100千安培等离子体电流。

4、洪荒70

技术地位：洪荒70 是全球首台全高温超导托卡马克装置，由国内首家聚变能源商业公司能量奇点研发建造，并于2024年6月成功实现等离子体放电。洪荒70 建成运行，在全球范围内率先完成了高温超导托卡马克的工程可行性验证，标志着我国在高温超导磁约束聚变这一关键领域取得先发优势。

5、玄龙-50U

技术地位：玄龙-50 是我国首座中等规模球形托卡马克聚变实验装置，由新奥公司自主设计建造，稳定实验运行4年后，于2024年升级为“玄龙-50U”，快速跻身大型磁约束实验平台先进行列。

二、技术优势

▍超导磁体技术创新

EAST 的超导磁体系统在自主研发过程中，攻克了超导磁体在复杂工况下的稳定性、高场强实现等难题。通过优化超导材料性能、改进冷却技术，实现了强磁场下的低损耗运行，为长时间约束高温等离子体提供可靠保障。

▍等离子体加热技术革新

中国科研人员在多种加热技术上取得突破。射频波加热技术通过精确控制，提高能量耦合效率；中性束注入加热技术不断优化，提升中性粒子注入能量与效率，大幅提升等离子体加热效果。

▍多技术路线并行

中国同时推进磁约束（EAST、HL-2M）与惯性约束（如神光系列激光装置）研究，形成互补的技术生态。

托卡马克装置的运行依赖于复杂的大功率电源系统、超导线圈和等离子体控制等技术，这就对电源设备提出了严格要求。电源设备不仅需支持兆瓦级低杂波电流驱动、中性束注入等高功率系统，还需具备极高的稳定性和瞬态响应能力。对于大功率电源行业而言，参与聚变技术研发既是挑战，更是抢占未来能源高地的战略机遇。

大功率电源在托卡马克装置中具有多方面不可替代的关键作用，包括不限于：

▍磁场约束

为环向场电源和极向场电源提供强大功率，生成高强度、高稳定性的磁场位形，实现对高温等离子体的有效磁约束，使其在有限空间内进行热核反应。

▍等离子体加热

通过射频加热电源、中性束注入电源等，将大量能量耦合到等离子体中，使其温度升高至亿度量级，达到核聚变反应所需的极端条件。

▍电流驱动

为欧姆加热电源等提供支持，驱动并维持等离子体电流，产生自举电流，进而维持等离子体的平衡和约束，确保核聚变反应持续进行。

▍辅助系统供能

为真空系统、冷却系统等辅助设备供电，保障这些系统的正常运行，为托卡马克装置营造稳定的工作环境。

中国的托卡马克装置不仅是科学探索的里程碑，更是一场涉及超导技术、大功率电源、材料科学的系统工程竞赛。随着EAST和HL-2M的持续突破，中国正从“跟跑者”转变为“领跑者”，为人类终极能源梦想提供“中国方案”。

国内合肥、武汉、成都等地的科研单位，运行着多个托卡马克装置。森木磊石作为武汉的科技型高新技术企业，积极投身我国托卡马克装置建设，已有多款数字电源及系统落地应用，为我国核聚变技术发展贡献森木磊石力量。

1、直流高压电源

▌采用高频谐振软开关技术，提高功率变换效率；

▌具备高充电精度与高可靠性；

▌具备强抗电磁干扰能力；

▌内置完善的保护机制；

▌支持本地和程控模式，允许用户对输出电压和电流进行全范围调节。

产品应用于供电系统、半导体行业、粒子加速器、真空微波电子管，雷达，通信设备、电容充电、大功率脉冲源、熔喷布静电驻极、除尘设备等。

2、脉冲电源

▌具有快速的脉冲信号上升沿和下降沿，可快速进行响应；

▌具备实时故障监测功能；

▌配备显示屏，直观展示数据；

▌用户可以灵活调节脉冲数值，支持远程监控和操作。

产品应用于科学实验、空气净化、火花等离子烧结、高压充电、高压放电、纳米材料制备、染料废水处理等领域。

3、阳极高压电源

▌具有us级快速响应能力和全面的保护功能；

▌超过90%的效率和大于0.98的功率因数；

▌过充<1%，顶降<1%，输出稳定；

▌支持长脉冲运行和高频率调制；

▌支持本地和远程控制，兼容RS485和以太网通讯接口。

产品可实现60kV/1A的输出，适用于X射线设备、核能工业，医疗设备，高能物理实验等领域。

4、PSM高压电源系统

▌电源效率高达97%以上；

▌具备自动闭环控制功能，系统能够自动调节PSM模块的开通个数，实现精确的输出电压调节；

▌采用特殊设计减少输出电压纹波；

▌支持稳态和脉冲两种工作模式，脉冲频率0-10KHz可调；

▌每个模块配备独立且完善的保护功能及故障存储和显示功能。

产品已实现8MW的大功率输出，适用于可控核聚变研究、高能物理实验、医疗设备供电、工业自动化控制、电磁波探测等领域。

5、高频逆变式高压电源系统

▌采用高频逆变技术、高频高压隔离变压器研制技术和超级电容储能供电技术；

▌采用超高压绝缘工艺，多模块错相输出；

▌绝缘性能优良，绝缘电压大于200kV；

▌具备全面的保护功能及故障快恢复/停机模式；

▌模块化设计，适配不同的输出电压、输出功率组合配置，最高支持256个模块，且单模块可独立配置投入运行；

▌支持输出曲线编辑功能，最高支持32段电压运行曲线编辑；

▌在线状态监测与控制系统，实时监控模块状态和关键参数。

产品可实现MW级输出，适用于等离子体加热和控制、可控核聚变研究、高能物理实验等领域。

目前，中国的托卡马克装置研究已取得不凡的成就，但距离核聚变能源商业化应用仍有漫长征程。随着不断对托卡马克装置的升级改造与实验研究，相信在不久的将来，核聚变能源将从实验室走向现实，为人类社会可持续发展注入强大动力，开启全新的能源时代。

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