토카막(러시아어: Токамак, 영어: Tokamak)은 핵융합 발전을 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 도넛(원환면) 형태의 장치이다. 명칭은 러시아어 "тороидальная камера с магнитными катушками"(자기장 코일이 있는 원환형 챔버)의 앞글자를 딴 합성어이다.
토카막의 기본 원리는 강력한 자기장을 이용하여 1억 도 이상의 초고온 플라즈마를 진공 용기 내에 안정적으로 가두는 것이다. 플라즈마는 전하를 띤 입자들로 구성되어 있기 때문에 자기력선을 따라 나선형 궤도로 움직이며, 이를 통해 용기 벽과의 접촉 없이 내부에 머무를 수 있다. 토카막 내부에는 크게 세 가지 자기장이 작용한다. 첫째는 토러스(도넛)의 원주 방향으로 형성되는 토로이달 자기장으로, 외부의 TF(Toroidal Field) 코일에 의해 생성된다. 둘째는 플라즈마 내부에 흐르는 전류에 의해 유도되는 폴로이달 자기장으로, 이는 패러데이의 법칙을 이용한 중앙 솔레노이드(CS 코일)의 자기장 변화를 통해 만들어진다. 셋째는 플라즈마의 위치와 형태를 제어하기 위한 PF(Poloidal Field) 코일에 의한 수직 자기장이다. 이 세 자기장이 결합하여 나선형의 자기력선을 형성함으로써 플라즈마를 안정적으로 가둘 수 있다.
플라즈마 가열 방식으로는 크게 세 가지가 사용된다. 첫째는 플라즈마 자체의 전기 저항에 의한 저항 가열(Ohmic heating)이나, 온도가 높아질수록 저항이 낮아져 한계가 있다. 둘째는 고에너지 중성입자빔(NBI, Neutral Beam Injection)을 플라즈마 내부로 입사시켜 충돌을 통해 가열하는 방식이다. 셋째는 전자기파를 이용한 가열 방식으로, 전자 사이클로트론 공명 가열(ECRH)과 이온 사이클로트론 공명 가열(ICRH) 등이 있다.
토카막의 역사는 1950년대 소련에서 시작되었다. 1956년 레프 아르치모비치(Lev Artsimovich)가 이끄는 쿠르차토프 연구소에서 연구가 시작되었고, 1958년 최초의 토카막 T-1이 실험되었다. 1968년 노보시비르스크에서 열린 제3차 IAEA 핵융합에너지 회의에서 T-3 토카막이 1000eV 이상의 전자 온도에 도달했다고 발표되었으며, 이후 레이저 산란 측정을 통해 검증되면서 토카막 방식이 핵융합 연구의 주류로 자리잡게 되었다.
토카막은 다른 자기장 가둠 방식에 비해 에너지 가둠 시간이 월등히 높아 핵융합 발전 실현에 가장 유리한 방식으로 평가된다. 그러나 플라즈마 내부에 전류가 흐르면서 발생하는 플라즈마 불안정성(난류, 붕괴 등)이 주요 단점으로 지적된다. 이 문제를 보완하기 위해 스텔러레이터(Stellarator)나 헬리오트론(Heliotron) 등의 대체 방식도 연구되고 있으나, 현재 가동 중이거나 건설 중인 실험용 핵융합로의 대부분은 토카막 방식을 채택하고 있다.
대표적인 토카막 장치로는 대한민국의 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research), 중국의 EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak), 유럽연합의 JET(Joint European Torus), 일본의 JT-60SA, 그리고 7개국(한국, 미국, 러시아, EU, 일본, 중국, 인도)이 공동으로 프랑스 카다라슈에 건설 중인 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor) 등이 있다. KSTAR는 세계 최초로 Nb₃Sn 신소재 초전도 자석을 사용한 완전 초전도 토카막으로, 2008년 첫 플라즈마 발생에 성공한 이후 중심 이온 온도 1억 도 유지 등 여러 성과를 달성하고 있다. ITER는 핵융합 에너지 증폭률(Q) 10 달성을 목표로 하는 국제 공동 프로젝트이다.
