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title: "托卡马克怎样留住热量，又怎样量出热量"
description: "扭转的磁场引导带电粒子，散射的激光测量电子运动。结合空间剖面和热流读数，才能知道等离子体存下了多少热量。"
canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/tokamak-iter/"
language: "zh-CN"
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  en: "https://sandboxphysics.com/stories/instruments/tokamak-iter/"
last_modified: "2026-11-13"
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[物理仪器怎样测量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/)

# 托卡马克怎样留住热量，又怎样量出热量

把一团很热的带电气体放进环形容器，怎样让它尽量少碰器壁？托卡马克用磁场引导粒子运动。实验还要量出加进去的能量有多少留在气体里，多少已经流走；一束穿过气体的激光，能帮助回答这个问题。

Sandbox Physics · 2026-11-13

## 磁力线沿大环绕行，也绕管截面扭转

气体里的电子从原子中分离出来，就有了能自由运动的电子和带正电的离子，这种带电气体叫等离子体。磁场会弯转带电粒子的运动，让粒子一边回旋，一边沿磁力线前进。

托卡马克把这条前进路线弯成大环，再叠加绕环管截面转动的磁场。磁力线因而像缠在弯管上的线一样扭转。在理想的轴对称图像里，它们分布在一层层套在一起的环面上，称为磁面。外部线圈与等离子体电流共同形成和控制这种结构；中心螺线管用变化的磁通在等离子体中感应电流。

ITER 用这类装置检验反应堆尺度的长脉冲运行和相关技术，是实验设施，未配备发电设备。实验用不同的探测器，分别跟踪磁场与热量的变化。

来源：[2] [1]

## 电源送出的能量要传到等离子体里

保持不变的磁场弯转粒子的运动方向，加热则需要把能量交给粒子。电流可以让等离子体升温；高速中性粒子进入后，可以碰撞传能；电磁波也能在合适条件下被粒子吸收。它们最终增加粒子的随机运动。

电源送出的能量先经过加热装置和传输线路。沿途损失、没有耦合进去或被反射回来的部分，要分别测量。沉积到等离子体中的部分给粒子加热。比较升温快慢时，需要知道这一段时间实际沉积了多少。

来源：[3]

## 辐射和流向材料的粒子都带走热量

等离子体发出的辐射会把能量送到周围材料。粒子运动也会把能量带向边缘。偏滤器把一部分离开热等离子体的粒子引向指定靶面，粒子在靶上沉积能量，冷却系统再把这些热量带走。

辐射计吸收进入孔径的光，再从受热响应读出辐射功率。一个孔径只看见有限区域和方向。要估计整个等离子体辐射了多少，需要多条视线，或已说明的空间辐射分布。接收器看向哪里、孔径有多大，都会进入这个估计。

来源：[4] [5]

## 电子把自己的运动留在散射光里

把激光穿过等离子体，电子会散射出极少量光。把接收到的光按频率分开，便得到光谱。电子的随机运动让散射光向两侧展宽；这种从自由电子散射光中测量电子运动的方法，叫 Thomson 散射诊断。

已知散射几何和速度分布模型，就能从谱形估计电子温度。用已知参考标定激光能量、接收孔径与探测器响应后，散射光的总量还能给出电子密度。温度和密度来自同一次光谱中的不同信息。

来源：[6]

## 一条光路要放回整个等离子体中理解

激光束和接收孔径都有宽度，采到的光混合了沿途不同位置的贡献。若中心比边缘热，光谱就包含不同温度的成分。仪器还会把本来很窄的谱线展宽，已知窄线能先量出这一影响。把弦线移到另一处、增加观测位置，再计入仪器展宽，便能逐步估计温度和密度怎样分布。

估计电子热量，要先知道每一小块有多少电子，以及每个电子平均有多少随机运动能量，再把各小块的热量相加。单独一个中心温度还缺少这些空间信息；实际计算需要测得的剖面，或明确给定的剖面假设。Thomson 散射主要诊断电子。若电子和离子数目相同，并额外假定两者等温，总热量才是电子热量的两倍。

来源：[5] [6]

## 把热量变化与同一时段的输入和损失比较

一次完整的热量测量，需要同时记录温度与密度、实际沉积的加热、辐射和流向材料的能量。用同一时钟确定这段时间的起止，才能把输入与损失之差，同储热量在这段时间的变化比较。

器壁量热会接收到粒子热流和入射辐射两种贡献。如果已经把总辐射单列，就要从器壁热量中分出相应的辐射部分，避免重复计入。已标定能量计的增益、激光参考和空间测量，都要覆盖所分析的时段；同一标定带来的误差会影响许多次读数。

停止加热后，辐射和粒子热流仍继续带走能量。重复的电子光谱跟踪冷却过程，辐射计和材料热流读数帮助区分能量离开的途径。把这些同时测得的变化放在一起，便能追踪一段热等离子体怎样冷下来。

$$
\frac{dW}{dt}=P_{\mathrm{deposited}}-P_{\mathrm{radiated}}-P_{\mathrm{transport}}
$$

W 是电子与离子的随机热运动总能量，t 是时间；左边表示每秒储热变化。右边依次是实际沉积的加热功率、辐射功率，以及扣除已计辐射后流向材料的热功率。从电子诊断推算 W 时，仍需上面说明的离子温度假设。

来源：[3] [4] [5]

## [比较磁面、电子散射光谱与热流](https://sandboxphysics.com/zh/labs/tokamak-iter/)

比较加热与自由冷却，再把激光移离中心，查看电子热量和同一时段的能量读数。

给定轴对称冷态磁场上的低压被动热扰动模型；有限诊断几何测量电子热量，含离子的总热量另需给定等温假设。

## 来源与延伸阅读

1. [ITER · What is a tokamak?](https://www.iter.org/machine/what-tokamak)

   2026-11-13 核读环形真空室、带电气体与磁约束的介绍，以及 ITER 用于反应堆尺度实验、未配备发电设备的说明。只采用装置角色，不引用温度目标或性能数值。

2. [ITER · Magnets](https://www.iter.org/machine/magnets)

   2026-11-13 核读环向场、等离子体形状控制及中心螺线管感应电流的分工。不将实机线圈尺寸、场强或储能当作教学模型参数。

3. [ITER · External heating systems](https://www.iter.org/machine/supporting-systems/external-heating-systems)

   2026-11-13 核读电流加热、中性束的碰撞传能和电磁波加热机制。文章区分供电、传输及实际沉积热量，不复述设施功率或未来运行计划。

4. [ITER · Divertor](https://www.iter.org/machine/divertor)

   2026-11-13 核读粒子流向靶面、动能转为材料热量及主动水冷排热的作用。不采用实机热流密度和靶面数量。

5. [ITER · Diagnostics](https://www.iter.org/machine/supporting-systems/diagnostics)

   2026-11-13 核读磁测量、电子温度与密度剖面、辐射功率空间分布及材料表面监测的不同观测任务。辐射计视线与空间反演的联系用于解释总辐射的估计。

6. [Petra Bílková · Thomson Scattering, 13th ITER International School (2024)](https://www.iter.org/sites/default/files/media/2025-01/l6_bilkova_thomson_scattering.pdf)

   2026-11-13 核读 PDF 第 15–23 页：有限散射几何、电子运动引起的频移、谱宽与温度、绝对散射量与密度，以及高温相对论光谱。第 21 页示例数值与同页公式不符，文章不采用该数值；不转载幻灯片或图像。

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