強大的電磁鐵有助實現(xiàn)聚變核能

文|陳根

托卡馬克(Tokamak)是一種環(huán)形裝置,可以通過約束電磁波驅(qū)動創(chuàng)造氘、氚實現(xiàn)聚變的環(huán)境和超高溫,并實現(xiàn)人類對聚變反應(yīng)的控制。受控?zé)岷司圩冊诔Ｒ?guī)托卡馬克裝置上已經(jīng)實現(xiàn)。但常規(guī)托卡馬克裝置體積龐大、效率低,突破難度大。

上世紀末,科學(xué)家們把新興的超導(dǎo)技術(shù)用于托卡馬克裝置,使基礎(chǔ)理論研究和系統(tǒng)運行參數(shù)得到很大提高。據(jù)科學(xué)家估計,可控?zé)岷司圩兊难菔拘缘木圩兌褜⒂?025年實現(xiàn),商用聚變堆將于2040年建成。

不久前,中國的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置“東方超環(huán)”刷新了世界紀錄:在其第98958次放電中,成功實現(xiàn)可重復(fù)的1．2億攝氏度101秒和1．6億攝氏度20秒等離子體運行,是1億攝氏度20秒原紀錄的5倍。

近日,麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員成功開發(fā)出一種高溫超導(dǎo)磁鐵,其磁場強度達到20 Teslas,打破有史以來最強磁場強度的世界紀錄,該磁鐵或?qū)⒊蔀殚_啟核聚變并向世界提供清潔無碳能源的進程加速。

新磁鐵由16個板塊堆疊在一起組成,高約3米,利用一種叫做ReBCO的超導(dǎo)材料。在大約兩周的運行時間內(nèi),它能夠達到破紀錄的20特斯拉的磁場強度。此外,被束縛的等離子體可以被加熱到1億攝氏度或更高的溫度,從而能夠觸發(fā)核聚變反應(yīng)。

人工聚變反應(yīng)以前也曾發(fā)生過,但到目前為止,它們運行所消耗的能量總是大于產(chǎn)生的能量(保持這些磁場以容納等離子體需要大量的能量)。通過改進磁體,研究人員有望開發(fā)出第一個最終生產(chǎn)出能量大于消耗的反應(yīng)堆。

值得一提的是,有了該磁體,就有可能在體積僅之前1/40的反應(yīng)堆中獲得類似的性能。而且,用于驅(qū)動反應(yīng)堆的燃料將是水中的氫同位素——由于我們擁有幾乎無限的水,這些反應(yīng)堆幾乎可以無限期地運行。

未來,有望在2025年前,研究人員能夠?qū)⑺麄冮_發(fā)的強大的新磁鐵排列到托卡馬克反應(yīng)堆中,并由此產(chǎn)生凈正核聚變。