幾十年來(lái)，能源危機(jī)一直是縈繞在人類心頭最為致命的夢(mèng)靨之一，而截至目前最有希望為我們獲取“無(wú)限”清潔能源的技術(shù)仍然是原子聚變。近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）宣布正在研制一款全世界功能最強(qiáng)大的超導(dǎo)磁體，不久后會(huì)建立全球首個(gè)核聚變發(fā)電站，讓無(wú)限能源時(shí)代離我們更進(jìn)一步。

與當(dāng)今已有的核電站不同，核電站的原理是原子核裂變釋放核能產(chǎn)電，主要應(yīng)用鈾等放射性元素。而核聚變發(fā)電則是通過將兩個(gè)輕質(zhì)量原子融合為一個(gè)原子來(lái)產(chǎn)生能量，這與在恒星（太陽(yáng)）內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)相同。聚變產(chǎn)生的熱量可能達(dá)到好幾億攝氏度，如果可以利用，這些被釋放出的大量熱量完全可以轉(zhuǎn)化為“取之不盡”的電力供人類使用。

自20世紀(jì)40年代以來(lái)，全球科學(xué)家一直致力于研發(fā)核聚變反應(yīng)堆。但到目前為止，經(jīng)過無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)都難以達(dá)到令人滿意的預(yù)期效果。其中最大的難題之一就是難以找到一種可以承受上億攝氏度的裝置來(lái)作核聚變反應(yīng)的容器。

而在麻省理工學(xué)院，一個(gè)獲投3千萬(wàn)美元的新研究項(xiàng)目正在醞釀，并致力于讓核聚變技術(shù)實(shí)現(xiàn)普及。

該項(xiàng)目旨在建立世界首座真正意義上的聚變電站，這個(gè)電站200兆瓦的功率將足以與絕大多數(shù)現(xiàn)代商業(yè)電站相媲美。據(jù)介紹，聚變電站的建設(shè)迅速且低風(fēng)險(xiǎn)，能在15年內(nèi)完成。

其中的關(guān)鍵一步就是要建立世界上最強(qiáng)大的超導(dǎo)電磁鐵，超導(dǎo)電磁鐵也是緊湊型聚變裝置托卡馬克的重要組件。用于制造超導(dǎo)磁鐵的超導(dǎo)材料是一種涂覆有釔-鋇-氧化銅（YBCO）復(fù)合材料的鋼帶。

2013年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)用紅外激光脈沖持續(xù)照射釔-鋇-銅氧化物（YBCO）材料時(shí)，它會(huì)在室溫下短暫地表現(xiàn)出超導(dǎo)性。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，YBCO制造的超導(dǎo)磁體形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度將是迄今最大規(guī)模核融合實(shí)驗(yàn)所用磁場(chǎng)強(qiáng)度的10倍。

YBCO材料的最大優(yōu)勢(shì)是，它能極大降低建造凈能量聚變裝置所需要的成本、時(shí)間和組織復(fù)雜性，從而為人們提供接觸聚變能的新方法。

SPARC托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

麻省理工學(xué)院與CFS預(yù)期在三年內(nèi)完成超導(dǎo)電磁鐵的研究，屆時(shí)，他們會(huì)用這些超導(dǎo)磁鐵設(shè)計(jì)并建設(shè)一個(gè)緊湊型聚變實(shí)驗(yàn)裝置SPARC。

要知道，實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)并不難，但目前聚變堆的最大問題是輸入能量大于輸出能量，也就是說為了實(shí)現(xiàn)聚變而耗費(fèi)的能量要超過聚變反應(yīng)所釋放的能量。這是一種得不償失的過程。

基于SPARC，科學(xué)家將能建設(shè)兩倍大的新型核電站，它能在商業(yè)上實(shí)現(xiàn)凈能量輸出，并成為商業(yè)聚變堆設(shè)計(jì)與建設(shè)的最終示范。

該項(xiàng)目的另一層意義在于，它將成為大型國(guó)際合作項(xiàng)目ITER的補(bǔ)充研究。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）項(xiàng)目

ITER是世界上最大的聚變實(shí)驗(yàn)裝置，目前正在法國(guó)南部建造。如果順利，ITER預(yù)計(jì)會(huì)在2035年輸出聚變能。據(jù)哈特維希介紹，SPARC的輸出功率是ITER的1/5，但它的尺寸卻是ITER的1/65。

在可控核聚變領(lǐng)域耀眼的不止美國(guó)。由我國(guó)中科院等離子體物理研究所承擔(dān)的EAST先進(jìn)全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置（人造太陽(yáng)）近年來(lái)也頻頻取得突破，是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模運(yùn)行持續(xù)時(shí)間達(dá)到分鐘級(jí)的核聚變裝置。

這表明我國(guó)磁約束聚變研究在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的物理和工程方面繼續(xù)引領(lǐng)國(guó)際前沿。實(shí)驗(yàn)成果不僅可為未來(lái)國(guó)際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆(ITER)長(zhǎng)脈沖高約束運(yùn)行提供重要的科學(xué)和實(shí)驗(yàn)支持，更為我國(guó)下一代聚變裝置——中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)的預(yù)研、建設(shè)、運(yùn)行和人才培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。相信中國(guó)也將在核聚變未來(lái)占據(jù)一席之地。

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