早在1945年，人類用裂變核燃料製造出原子彈，此後不久，又於1952年製造出了氫彈，它是一種用原子彈點火的聚變反應裝置。在原子彈中放入熱核燃料，當原子彈爆炸時，在火球區的中央便產生幾百萬度到1億度的高溫，達到了熱核燃料的點火溫度，就在火球還來不及擴散的瞬間（相當於約束時間），有幾千個大氣壓力的等離子體產生，使部分熱核燃料產生熱核反應，所以氫彈的威力要比原子彈大得多。可惜，用這種方式獲得的熱核能是人們難以控製應用於建設事業的，我們需要的是“受控”的熱核反應。所謂“受控”，意味著符合易於點火，能在安全的裝置內進行熱核反應，所釋放的能量易於利用，功率又易於控製。要使熱核反應在某種裝置內進行，首先碰到的問題是，如此高溫度的等離子體是不可能用任何實際的固體容器來盛放的。因為溫度在4000℃以上時，現有的任何耐火材料都將會熔化。對於熱核等離子體來說無論何種固體器壁都是十分冷的，因此用固
體容器盛放等離子體隻能是兩種結果：要麼等離子體被器壁冷卻，反應停止；要麼器壁被等離子體熔化，等離子體散失。無論那一種結果，都會導致熱核反應不能持續，即失去控製。為了使熱核反應器不被等離子體熔化以及等離子體不被器壁冷卻，等離子體一定不能與器壁接觸。為此，人們想出了一種奇妙的方法：用磁場來約束等離子體，或者說，把等離子體放在一種特殊的“磁瓶”裏。“磁瓶”是一種看不見、摸不著的用磁場構成的“瓶子”，由於磁場不是由分子、原子構成的實體，所以沒有什麼熔化和溫度高低的問題。
我們知道，地球對地麵上的物體有約束力，那是因為有萬有引力。原子核對核外電子有約束力，那是因為有庫倉力。類似地，磁場對於運動著的帶電粒子也有約束力，那就是洛倫茲力。讓磁力線由手心穿入，從手背穿出，四指指向沿著帶正電的粒子運動方向，則大拇指所指方向就是洛倉茲力的方向。洛倉茲力的大小與磁場的密度成正比，與粒子垂直於磁場的速度分量成正比，也與粒子所帶的電荷量成正比。如果粒子的初速度方向與磁力線平行，它不受洛倉磁力作用，這種粒子“感覺”不到磁場的存在，將繼續作勻速直線運動。如果粒子的初速度方向與磁力線垂直，它就會受到洛倉茲力的作用。由於粒子在磁場內受力的方向始終與其速度方向垂直，所以，其速度的大小不會改變，隻是不斷地改變著速度的方向，即粒子不斷地拐彎，它的運動構成一個圓。磁場愈強，洛倉茲力也愈大，圓周的半徑也就愈小。這就是均勻磁場對帶電粒子的約束，好像粒子被緊緊地束縛在軌道圓心附近。如果粒子初速度的方向既不完全垂直、也不完全平行地磁力線，而是與磁場方向成某個角度，在這種更為一般的情況下，平行於磁力線的方向上作勻速運動；而垂直於磁力線的速度分量在洛倉茲力的影響下不斷改變它的方向，使得粒子在垂直於磁力線的方向上作圓周運動，這樣複合運動的總的結果是：粒子的運動軌道呈螺旋形。磁場愈強，粒子的螺旋軌道也就愈緊緊地纏住磁力線，好像磁力線對運動著的帶電粒子具有吸引力似的。這樣我們可以歸納一下磁場對運動的帶電粒子的作用：帶電粒子在磁場中運動時，它在沿磁力線的方向是自由的，但在垂直於磁場方向上受到約束，不均勻的磁場總是把粒子從磁場強的地方推向磁場弱的地方。磁瓶就是根據這個原理設計的。它一般由①磁鏡場（無論是帶正電的粒子還是帶負電的粒子。無論從中心區向右端運動還是向左端運動，都將受到端部強磁場的反射作用，好像光線遇到鏡子被反射一樣，因此兩端強磁場被稱為“磁場鏡”）、②磁阱（中央強四周弱的磁場）、③環形磁場等各種形式的磁場構成，可用來約束等離子體。
所謂磁瓶（又稱磁籠），就是說用強磁場來把等離子體懸掛在空中。如果想建立熱核聚變反應堆，利用核聚變能量來發電，必須首先建成磁場容積達數十至數百立方米、磁場強度約為10.22特斯拉的大型磁場空間。例如，一個2×10.9瓦的受控熱核反應電站，磁體的直徑約20米，儲能將近2×20.11焦耳。這樣的磁場空間用常規磁體來實現，有人估算過，該熱核反應電站生產的全部電能基本上隻夠用來維持這個磁體係統的電力消耗。顯然，若想利用熱核反應來發電，首先就必須解決大體積、高強度的磁場問題。這樣的磁體儲存的能量極高，結構複雜，電磁和機械應力巨大，常規磁體是無法承擔這一任務的，隻有超導磁體才能滿足上述要求。在受控熱核反應中，超導技術將發揮獨特的重大作用。目前已建立和正在研製的磁約束型受控熱核反應裝置有許多。它主要靠環形磁場和等離子電流的磁場及外部垂直磁場組成的螺旋形磁場來約束等離子體。（b）是磁鏡約束，它利用一個恒定梯度磁場來約束注入的高溫等離子體。（c）是角收縮型磁約束係統。（d）是一個仿型器的示意圖。我們著重介紹一下托卡馬克裝置的工作原理。招導托卡馬克裝置實質上就是一個受控核聚變的原子爐，在其中要完成熱核反應的點火、高溫等離子體的約束和使熱核反應穩定連續運動等任務。從結構上看，它的主要構成部分是一個被大量液氦冷卻的巨大的環形超導磁體。圍繞等離子體的超導D型磁體的作用是產生一股極強的環形磁力線，它具有無終端的優點。在洛倉茲力的作用下，帶電離子將磁力線打圈。為了進一步減小等離子體粒子橫越磁場的漂移，必須使這一股磁力線成為繞環的螺旋，即成為環形螺旋線磁場。在大多數托卡馬克裝置中都是利用變壓器放電的原理，在加熱等離子體的同時，感生的等離子電流也產生一個角相磁場。當然，也有用外電流線圈產生這一磁場的方案，在環形場和角向場的聯合作用下合成一個螺旋場，我們稱磁力線這種變化為“旋轉變換”，這是約束等離子體的必要條件。環形磁體中的環形真空容器內充以低壓的氘和氚，點火時，氘和氚形成的等離子體環作為變壓器的次級，變壓器的初級是一組產生脈衝極向場線圈。當初級超導線圈迅速放電時，由於變壓器原理在次級環形真空空間感應出脈衝形成高電壓，這個脈衝電壓使氘氚電離並沿等離子體環形鈾的方向放電，放電電流可達數百萬安培，此電流把氘氚加熱成高溫等離子體。進一步分析表明單靠環向場和角向場還不足以約束托卡馬克裝置中的等離子體，因為角向場（由等離子電流產生）在大環外側比大環內側弱。因此，等離子體與角向場的作用就會產生一個沿環的大半徑指向外的淨力。因此，為保持等離子體平衡，克服等離子體向外的膨脹就必須施加一個回複力。目前有兩種施加回複力的方法，其一是在平行大環軸的方向加一個垂直的磁場；其二是在環形等離子體外采用一個銅殼，當離子體形變時，銅殼內感生環向電流而產生一個垂直的磁場，該磁場也能抑製等離子體的膨脹。在這三個約束磁場中，環向磁場是主要的，一般為2特斯拉～10特斯拉；角向磁場，一般不到1特斯拉；平衡磁場一般也隻有0.1特斯拉左右，當然這要根據需要而定。為了保護等離子體不受等離子體容器管壁腐蝕產生的雜質影響，還裝有偏濾線圈。在這些線圈中，主環形線圈是直流工作狀態，其餘的線圈都是處於勵磁工作狀態，線圈都是用超導體做成的。在實驗前，容納等離子體的真空要抽到10-7帕斯卡的超高真空，然後再充入10-1帕斯卡～10-2帕斯卡的氘，其體積為數十至數百立方米。整個環流器實際上是一個龐大的工作裝置，還配有巨大的高電壓、強電流供電係統、數十種診斷等離子的儀器和精密的電子計算機數據處理係統以及有關的控製係統。其整體工程投資一般在億元以上。 托卡馬克裝置是1954年首先由前蘇聯發展起來的。當時，由於磁場不夠精確，等離子體中雜質過多而成績不佳。自60年代以來，前蘇聯的“托卡馬克-3”裝置取得了進展，在能量約束時間上突破了十餘年未能超過的障礙——“玻姆擴散”。之後，美、歐、日本也認為托卡馬克是當今約束核聚變的主要方式，因而投入了巨大的科研和財經力量。1982年美國普林斯頓大學的大型托卡馬克聚變反應堆點火成功。1989年初前蘇聯“托卡馬克-15”投入運動，產生了約1億度高溫純氫等離子體。1984年9月21日，由我國自行設計、建造的“中國環流器一號”受控熱核聚變研究裝置在核工業部西南物理研究所誕生，它就是一種托卡馬克型裝置，其設計指標和工程規模相當於70年代中期國外較先進的同類型裝置的水平。它標誌著我國在受控熱核聚變科研領域的裝置建造和實驗手段有了新的突破，正向世界先進水平奮起直追。上麵談到，實現受控的條件之一是需要將高溫等離子體約束住並且達到一個所要求的密度，這就必須有一個很強的磁場，例如，在108立方厘米的大空間內產生10特斯拉左右的磁場。如果用常導的銅繞磁體，磁體的盛磁功率很大，巨大的能量都消耗在磁體本身上了，所以得不到正的功率。因此，世界各國在發展熱核反應的同時，都將超導磁體的研究放在重要的地位上。現在，世界上哪個國家最先製成人造太陽，它就會博得無尚光榮。無論怎麼說，核聚變確實是偉大的科學技術，而隻有掌握了“超導”這個武器才能實現。21世紀，核聚變將是人類取之不盡的清潔、經濟的能源。
什麼是磁通泵
由於超導體具有完全導電性，所以，如果將超導磁體的兩端短路，形成閉合的環，則環中就有一個不衰減的永久電流持續地流動。如果想將超導磁體作為 個磁體使用，應設法使引線不發熱。為了使用引線盛磁的超導磁體成為永久磁體，最好是用超導線將磁體兩端短路掉，而不再殘存任何接觸電阻。凍結在超導閉合回路內的磁通，隻要閉合回路中的超導電性不消失，磁通保持恒定值，這種性質用在複連通的超導環中就是磁通泵，即所謂沃爾格磁通泵，主要部分是臨界磁場比較低的超導薄圓板D，在其中心部分b和連緣部分a連接一個臨界磁場比較高的超導線圈L，使安在轉動軸S上的磁棒M轉動而產生電流。磁棒M產生磁場，高於圓板的臨界磁場，且磁棒置於圓板的下方，所以，棒的正上方出現正常態的孔H，磁通由這裏穿進去。當轉動磁棒M時，正常態的孔H將隨之轉動。現在如果轉動磁棒M，由於磁通不能切割超導閉合回路C，所以被拉長了。當M轉動時，磁通線進一步被拉長，繞過接在圓板中心的線圈接頭，所以在由線圈和圓板構成的回路內，撤消該聯鏈磁通時，將感應出電流。這樣，磁棒每轉動一圈，在回路內感應出大小相當於磁棒磁通的電流。
這種方法具有以下優點：①結構非常簡單，不管產生多大的電流都可以小型化；②超導閉合回路內，沒有機械接觸部分或電刷等；③通過調整磁棒的轉動次數，來細微地調整電流的大小；④通過正反轉動，可以自由地勵磁、放電等。已用這種方法，成功地發出12800安培的電流。這種磁通泵在原理上和沃爾格磁通泵相同，也是將磁通凍結在超導閉合回路中，其中幾種方案之間稍有不同。P為臨界磁場比較低的超導薄板，如同沃爾格型磁通泵一樣，也是將磁棒置於薄板的稍下方，在這個磁鐵的作用下，超導板P被開一個正常態的“孔”，磁通電由此貫穿。L是由臨界磁場比較高的材料繞成的線圈，兩端按圖所示的方式和超導板P連接起來，使磁棒按箭頭所示的方向沿P移動，磁通在使板P的一部分超導電性破壞的同時，進入超導線圈的薄板構成的閉合回路。然後將磁棒沿箭頭所示的方向取走，磁通由於不能切割回路而被凍結下來，所以在閉合回路中產生大小與磁通相當的電流。重複這一操作，隨著凍結磁通的增加，電流增大。這時，必須將磁棒沿著超導板P，從P以外取走，沃爾格型以及其它的移動型磁通泵，超導板材料是鉛或铌。
燃料電池的工作原理是什麼
燃料電池的基本原理與一般原電池相似，可將燃料氧化反應所釋放的能量直接轉換為電能。但是與一般原電池不同的是，在燃料電池中，反應物燃料及氧化劑（空氣或氧）可以連續不斷地供給電池，反應產物可以連續不斷地從電池排出，同時連續不斷地輸出電能和熱能。在這個意義上講，燃料電池也可視為一種特殊的發電裝置。
迄今為止，實用的燃料電池都以氫為燃料，由於氫在自然界不易獲得，因此天然氣或液化石油氣在進入燃料電池之前必須進行重整和純化。煤炭則需進行氣化及純化。在一些高溫燃料電池中，天然氣經純化後可在電池內負極一麵進行重整，稱為“內重整”燃料電池。按目前的技術水平，每隻單體燃料電池可產生約1千瓦直流電能，但因單體電池工作電壓小於1伏。因此，必須將多隻單體電池堆疊串聯成電池堆以獲得所需要的電壓。再將多組電池堆並聯以獲得所需要的電流，從而組成具有一定發電能力的電池組。在燃料電池發電站係統中，除了上述兩種主要子係統（即燃料重整純化及燃料電池堆）外，還需要有交直流逆變器和控製部分兩個主要子係統。與一般熱力發電相比，燃料電池發電具有較高的理論轉換效率。因為在燃料電池中，燃料不是被燃燒變為熱能，而是直接發電。燃料電池按所用電解質不同，可分為以下幾種類型：以KOH水溶液為電解質的堿性燃料電池，簡稱AFC以H3PO4水溶液為電解質的酸性燃料電池，簡稱PAFC；以熔融Li2CO3K2CO3等為電解質的熔融碳酸鹽燃料電池，簡稱為MCFC；以固態離子導電氧化物為電解質的固體氧化物燃料電池，簡稱SOFC；以高分子電解質膜，特別是陽離子交換膜為電解質的聚合物電解質燃料電池，簡稱PEFC。AFC和PEFC以純氫為燃料，並用貴金屬催化劑，主要用於航天與軍事領域。PAFC、MCFC和SOFC稱為地麵燃料電池，其中PAFC發展最成熟，為第一代地麵燃料電池，已有48兆瓦及11兆瓦的演示裝置。MCFC和SOFC等高溫燃料電池分別屬於第二代和第三代地麵燃料電池，又需要貴金屬催化劑，可以耐受CO，是潔淨煤發電可供選擇的技術。當前，MCFC比SOFC發展更為成熟，但有人認為，SOFC是比MCFC更有發展前途的燃料電池體係，隻是目前電池製造工藝尚不成熟，材料價格昂貴，估計在本世紀末尚不能代替MCFC。燃料電池要求采用非常幹淨的燃料，以防止汙染電極及電解質，降低電池性能。它所能允許的硫、顆粒物和其他汙染物是極低的。美國能源部於1988年開始資助煤氣中雜質對MCFC和SOFC燃料電池影響的研究。