聚變反應(yīng)堆托卡馬克裝置，為何都是環(huán)形的，而不能是方的或圓的？

原子在極高的溫度和壓力條件下，會(huì)被電離為電子和離子，成為一種高溫等離子體。

在這種狀態(tài)下，其中的粒子會(huì)高速運(yùn)動(dòng)并發(fā)生碰撞，而這種碰撞有一定幾率會(huì)導(dǎo)致聚變反應(yīng)的發(fā)生，并生成更重的核子，這一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量虧損，而虧損的質(zhì)量會(huì)以能量的形式被釋放出來(lái)。由于能量等于質(zhì)量乘以光速的平方，而光速為299792458米/秒，也就意味著微小的質(zhì)量虧損就可以轉(zhuǎn)化為極為巨大的能量，這就是核聚變的威力所在。核聚變既不會(huì)產(chǎn)生污染，也不存在核裂變那樣的泄露風(fēng)險(xiǎn)，所以可控核聚變技術(shù)一直都被視為最具潛力的未來(lái)能源。

然而有一個(gè)問(wèn)題就是溫度，地球上不可能實(shí)現(xiàn)如太陽(yáng)核心一般巨大的壓力，所以就必須要提高溫度。

核聚變反應(yīng)堆中等離子體的溫度大概是太陽(yáng)核心的十倍以上，如此高溫，地球上沒(méi)有任何物質(zhì)可以承受，因此就必須使用磁場(chǎng)來(lái)對(duì)這些高溫等離子體進(jìn)行約束，不讓它們與任何物質(zhì)發(fā)生接觸，而這個(gè)聚變裝置就是托卡馬克裝置。世界上進(jìn)行可控核聚變研究的國(guó)家不少，所使用的托卡馬克裝置雖然有所差別，但有一點(diǎn)是相同的，它們都是環(huán)形的。

托卡馬克裝置為什么一定要是環(huán)形，而不是能方形或圓形的呢？

這就要說(shuō)到拓?fù)鋵W(xué)中的一個(gè)定理了，即“毛球定理”。如果你家中有一個(gè)沒(méi)有孔洞的毛絨玩具，那么你可以嘗試用梳子來(lái)梳理上面的絨毛，但不管怎么梳理，你會(huì)發(fā)現(xiàn)總是有至少那么一個(gè)地方無(wú)法像其他地方一樣被梳理平滑，它要么翹起來(lái)，要么會(huì)呈現(xiàn)出如發(fā)旋或斑禿一般的狀態(tài)。為什么會(huì)這樣呢？因?yàn)槊蚨ɡ砀嬖V我們：球面上不存在連續(xù)且處處非零的切向量場(chǎng)。

聽不懂？沒(méi)關(guān)系，我們嘗試通俗地來(lái)解釋一下這句話。

首先說(shuō)球面，這里的球面是一個(gè)廣義概念，它代表了表面與球面拓?fù)涞葍r(jià)的一切形狀，你可以想象一塊球形的橡皮泥，然而在不扯段、不粘連、不穿孔的情況下，將其任意塑造成別的形狀，那么它都是與球面拓?fù)涞葍r(jià)的，所以一個(gè)沒(méi)有孔的毛絨玩具就等同于一個(gè)球面。向量是具有大小和方向的量，通常表示為一個(gè)個(gè)箭頭，而切向量就是一個(gè)個(gè)與球體表面相切的箭頭，而這些箭頭就可以替換為毛絨玩具上的毛發(fā)。

球面上不存在連續(xù)且處處非零的切向量場(chǎng)，就意味著球面上一定在某個(gè)點(diǎn)存在不連續(xù)或毛發(fā)垂直于球面的情況。

現(xiàn)在你明白為什么不可能把毛絨玩具上所有的毛發(fā)都梳理順暢的原因了吧。怎么改變這種情況呢？就是給毛絨玩具掏個(gè)洞。球面無(wú)法梳理順暢，但如果是一個(gè)甜甜圈就可以，只要讓甜甜圈上的每一個(gè)毛發(fā)都以同一方向繞著甜甜圈打轉(zhuǎn)就可以了。毛球定理并不只針對(duì)于毛發(fā)，這里的毛發(fā)也可以替換為水流、氣流或磁場(chǎng)。

現(xiàn)在可以回到一開始的問(wèn)題上來(lái)了，如果托卡馬克裝置是球形或方形的，那么它們就與球面拓?fù)涞葍r(jià)，根據(jù)毛球定理，在裝置的某一點(diǎn)上就一定會(huì)存在磁場(chǎng)為零的情況，如此就會(huì)導(dǎo)致泄露。

這對(duì)于束縛高溫等離子體的托卡馬克裝置而言可是一個(gè)致命的問(wèn)題，那么如何消除裝置的磁場(chǎng)零點(diǎn)呢？很簡(jiǎn)單，就像我們前面說(shuō)過(guò)的那樣，把球變成一個(gè)甜甜圈，也就是將托卡馬克裝置的腔體設(shè)計(jì)成環(huán)形的，如此一來(lái)就不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)零點(diǎn)了。