聚变反应堆托卡马克装置，为何都是环形的，而不能是方的或圆的？

原子在极高的温度和压力条件下，会被电离为电子和离子，成为一种高温等离子体。

在这种状态下，其中的粒子会高速运动并发生碰撞，而这种碰撞有一定几率会导致聚变反应的发生，并生成更重的核子，这一过程会产生质量亏损，而亏损的质量会以能量的形式被释放出来。由于能量等于质量乘以光速的平方，而光速为299792458米/秒，也就意味着微小的质量亏损就可以转化为极为巨大的能量，这就是核聚变的威力所在。核聚变既不会产生污染，也不存在核裂变那样的泄露风险，所以可控核聚变技术一直都被视为最具潜力的未来能源。

然而有一个问题就是温度，地球上不可能实现如太阳核心一般巨大的压力，所以就必须要提高温度。

核聚变反应堆中等离子体的温度大概是太阳核心的十倍以上，如此高温，地球上没有任何物质可以承受，因此就必须使用磁场来对这些高温等离子体进行约束，不让它们与任何物质发生接触，而这个聚变装置就是托卡马克装置。世界上进行可控核聚变研究的国家不少，所使用的托卡马克装置虽然有所差别，但有一点是相同的，它们都是环形的。

托卡马克装置为什么一定要是环形，而不是能方形或圆形的呢？

这就要说到拓扑学中的一个定理了，即“毛球定理”。如果你家中有一个没有孔洞的毛绒玩具，那么你可以尝试用梳子来梳理上面的绒毛，但不管怎么梳理，你会发现总是有至少那么一个地方无法像其他地方一样被梳理平滑，它要么翘起来，要么会呈现出如发旋或斑秃一般的状态。为什么会这样呢？因为毛球定理告诉我们：球面上不存在连续且处处非零的切向量场。

听不懂？没关系，我们尝试通俗地来解释一下这句话。

首先说球面，这里的球面是一个广义概念，它代表了表面与球面拓扑等价的一切形状，你可以想象一块球形的橡皮泥，然而在不扯段、不粘连、不穿孔的情况下，将其任意塑造成别的形状，那么它都是与球面拓扑等价的，所以一个没有孔的毛绒玩具就等同于一个球面。向量是具有大小和方向的量，通常表示为一个个箭头，而切向量就是一个个与球体表面相切的箭头，而这些箭头就可以替换为毛绒玩具上的毛发。

球面上不存在连续且处处非零的切向量场，就意味着球面上一定在某个点存在不连续或毛发垂直于球面的情况。

现在你明白为什么不可能把毛绒玩具上所有的毛发都梳理顺畅的原因了吧。怎么改变这种情况呢？就是给毛绒玩具掏个洞。球面无法梳理顺畅，但如果是一个甜甜圈就可以，只要让甜甜圈上的每一个毛发都以同一方向绕着甜甜圈打转就可以了。毛球定理并不只针对于毛发，这里的毛发也可以替换为水流、气流或磁场。

现在可以回到一开始的问题上来了，如果托卡马克装置是球形或方形的，那么它们就与球面拓扑等价，根据毛球定理，在装置的某一点上就一定会存在磁场为零的情况，如此就会导致泄露。

这对于束缚高温等离子体的托卡马克装置而言可是一个致命的问题，那么如何消除装置的磁场零点呢？很简单，就像我们前面说过的那样，把球变成一个甜甜圈，也就是将托卡马克装置的腔体设计成环形的，如此一来就不会产生磁场零点了。