聚變反應堆托卡馬克裝置，為何都是環形的，而不能是方的或圓的？

原子在極高的溫度和壓力條件下，會被電離為電子和離子，成為一種高溫等離子體。

在這種狀態下，其中的粒子會高速運動并發生碰撞，而這種碰撞有一定幾率會導致聚變反應的發生，并生成更重的核子，這一過程會產生質量虧損，而虧損的質量會以能量的形式被釋放出來。由于能量等于質量乘以光速的平方，而光速為299792458米/秒，也就意味著微小的質量虧損就可以轉化為極為巨大的能量，這就是核聚變的威力所在。核聚變既不會產生污染，也不存在核裂變那樣的泄露風險，所以可控核聚變技術一直都被視為最具潛力的未來能源。

然而有一個問題就是溫度，地球上不可能實現如太陽核心一般巨大的壓力，所以就必須要提高溫度。

核聚變反應堆中等離子體的溫度大概是太陽核心的十倍以上，如此高溫，地球上沒有任何物質可以承受，因此就必須使用磁場來對這些高溫等離子體進行約束，不讓它們與任何物質發生接觸，而這個聚變裝置就是托卡馬克裝置。世界上進行可控核聚變研究的國家不少，所使用的托卡馬克裝置雖然有所差別，但有一點是相同的，它們都是環形的。

托卡馬克裝置為什么一定要是環形，而不是能方形或圓形的呢？

這就要說到拓撲學中的一個定理了，即“毛球定理”。如果你家中有一個沒有孔洞的毛絨玩具，那么你可以嘗試用梳子來梳理上面的絨毛，但不管怎么梳理，你會發現總是有至少那么一個地方無法像其他地方一樣被梳理平滑，它要么翹起來，要么會呈現出如發旋或斑禿一般的狀態。為什么會這樣呢？因為毛球定理告訴我們：球面上不存在連續且處處非零的切向量場。

聽不懂？沒關系，我們嘗試通俗地來解釋一下這句話。

首先說球面，這里的球面是一個廣義概念，它代表了表面與球面拓撲等價的一切形狀，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撲等價的，所以一個沒有孔的毛絨玩具就等同于一個球面。向量是具有大小和方向的量，通常表示為一個個箭頭，而切向量就是一個個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。

球面上不存在連續且處處非零的切向量場，就意味著球面上一定在某個點存在不連續或毛發垂直于球面的情況。

現在你明白為什么不可能把毛絨玩具上所有的毛發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洞。球面無法梳理順暢，但如果是一個甜甜圈就可以，只要讓甜甜圈上的每一個毛發都以同一方向繞著甜甜圈打轉就可以了。毛球定理并不只針對于毛發，這里的毛發也可以替換為水流、氣流或磁場。

現在可以回到一開始的問題上來了，如果托卡馬克裝置是球形或方形的，那么它們就與球面拓撲等價，根據毛球定理，在裝置的某一點上就一定會存在磁場為零的情況，如此就會導致泄露。

這對于束縛高溫等離子體的托卡馬克裝置而言可是一個致命的問題，那么如何消除裝置的磁場零點呢？很簡單，就像我們前面說過的那樣，把球變成一個甜甜圈，也就是將托卡馬克裝置的腔體設計成環形的，如此一來就不會產生磁場零點了。