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SPARC簡介：

    SPARC 是由美國能源部（DOE）的普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）與麻省理工學(xué)院的等離子體科學(xué)與核聚變中心（PSFC）和聯(lián)邦核聚變系統(tǒng)（CFS）合作開發(fā)的托卡馬克核聚變裝置；托卡馬克，又稱環(huán)磁機(jī)，是一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)磁約束聚變的環(huán)型容器 。

SPARC托卡馬克裝置正在設(shè)計(jì)中，作為一個(gè)中型DT燃燒實(shí)驗(yàn)。通過使用新型高溫超導(dǎo)磁體，它將在R=1.85 m和a=0.57 m的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)12.2 T，8.7 MA。SPARC的物理任務(wù)是創(chuàng)造和限制產(chǎn)生凈聚變功率的等離子體，并消除高場路徑上的風(fēng)險(xiǎn)，從而獲得商業(yè)聚變能。滿足該任務(wù)的性能被定義為Q>2和PFusion>50MW，這將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過ICRF輸入功率的25MW。我們認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將充分證明聚變將堅(jiān)定地納入世界能源計(jì)劃。設(shè)計(jì)中針對性能假設(shè)中的不確定性建立了顯著的裕度，因此公認(rèn)的物理學(xué)預(yù)測，SPARC可以在Q>10的情況下產(chǎn)生超過140MW的聚變功率。SPARC的成功運(yùn)行將為ARC級(jí)聚變中試裝置的建設(shè)提供信息并使其成為可能，該裝置的主半徑約為3米，可產(chǎn)生超過500兆瓦的聚變功率。在這條發(fā)展道路上，開發(fā)所需聚變技術(shù)的并行計(jì)劃被設(shè)想為一種廣泛的合作。

麻省理工學(xué)院和聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司正在開發(fā)第一個(gè)產(chǎn)生凈能量等離子體的聚變裝置。由于新的高場磁體技術(shù)，這一雄心勃勃的目標(biāo)有望在本世紀(jì)后半葉實(shí)現(xiàn)。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃突谖锢韺W(xué)的超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬都表明，SPARC等離子體產(chǎn)生的能量將是其吸收的能量的十倍，這將使科學(xué)家能夠研究燃燒等離子體的迷人物理學(xué)。本次演講將介紹理解磁聚變能所需的關(guān)鍵概念，并為聚變能的高場路徑和SPARC托卡馬克奠定基礎(chǔ)。

視頻作者：Dr.Pablo R-Fernandez

2021年9月5日凌晨，麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心和聯(lián)邦聚變系統(tǒng)的聯(lián)合項(xiàng)目SPARC環(huán)形場模型線圈（TFMC）實(shí)現(xiàn)了超過20特斯拉的峰值磁場。這一時(shí)刻開創(chuàng)了一個(gè)用于科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用的強(qiáng)大高場超導(dǎo)磁體的新時(shí)代，并實(shí)現(xiàn)了長期尋求的聚變能向更小、更低成本設(shè)備的范式轉(zhuǎn)變。但這是怎么發(fā)生的呢？哪些技術(shù)和先驅(qū)為TFMC奠定了基礎(chǔ)？如何能夠在短短兩年內(nèi)實(shí)施如此規(guī)模和創(chuàng)新的項(xiàng)目？為什么這件事發(fā)生在麻省理工學(xué)院而不是其他地方？為了回答這些問題，本次演講將試圖描繪麻省理工學(xué)院在高場磁體研究、開發(fā)和運(yùn)營方面長達(dá)一個(gè)世紀(jì)的歷程，這些歷程為TFMC項(xiàng)目的成功奠定了基礎(chǔ)，然后，在技術(shù)和歷史背景牢固確立的情況下，對TFMC項(xiàng)目本身進(jìn)行更有意義的概述。

視頻作者：Dr.Zach Hartwig@PSFC

所謂的“托卡馬克（Токамáк），來源于俄語的環(huán)形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）和線圈（kotushka）。顧名思義，就是在真空的環(huán)境中，用環(huán)形線圈形成一個(gè)封閉的磁場，里面充滿沒頭沒尾的磁感線。等離子體是帶電的，會(huì)被封閉的磁感線束縛住，繞著它做螺旋式運(yùn)動(dòng)，這樣，參與核聚變反應(yīng)的等離子體就會(huì)被束縛在磁場做的籠子里面。其所產(chǎn)生的熱能，就可以有序地釋放出來，被發(fā)電系統(tǒng)收集，最后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/span>

　　從上世紀(jì)五六十年代的蘇聯(lián)開始，不少國家都建立起自己的托卡馬克反應(yīng)堆。其中最重要的，是正在建設(shè)中的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER），由歐盟、印度、日本、中國、俄羅斯、韓國和美國共同建設(shè)，是世界上最大的磁約束等離子體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。

    SPARC一種緊湊、高場強(qiáng)、凈聚變能裝置的概念設(shè)計(jì)。SPARC尺寸大半徑為1.65米，小半徑為0.5米，是現(xiàn)有中型聚變裝置的大小，但磁場要強(qiáng)得多。根據(jù)已建立的物理學(xué)，在12噸的環(huán)形場和7.5兆安的等離子體電流下運(yùn)行，該裝置預(yù)計(jì)將產(chǎn)生50-100MW的聚變功率，實(shí)現(xiàn)聚變增益Q大于10。這樣的實(shí)驗(yàn)將是首次展示凈能量增益，并將驗(yàn)證采用新超導(dǎo)技術(shù)制造高場設(shè)備的前景。SPARC符合通過使用新型高場高溫超導(dǎo)（HTS）磁體加速聚變發(fā)展的總體戰(zhàn)略。

    CFS 的科學(xué)家們預(yù)計(jì)，到 2025 年的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，他們的機(jī)器將突破這個(gè)門檻，產(chǎn)生的能量是其消耗的 10 倍。他們說，這一示范將使這家初創(chuàng)公司能夠在 21 世紀(jì) 30 年代早期開發(fā)出能夠提供與小型煤廠一樣多電能的正常尺寸的設(shè)備。

    CFS 相信它可以提供一種與 ITER 截然相反的核聚變機(jī)器：體積小、建造快、成本更低。原型機(jī)應(yīng)該花費(fèi)數(shù)億美元，而不是數(shù)百億美元，并且需要幾年而不是幾十年的時(shí)間來建造。

    如果項(xiàng)目能夠如期在2025年完成，這將成為世界上首個(gè)輸出能量大于輸入能量的可控核聚變反應(yīng)堆，將人類關(guān)于可控核聚變反應(yīng)的研究進(jìn)展大幅提前至少十年；更為未來小型化、低建造難度的商用可控核聚變反應(yīng)堆指出一條全新的發(fā)展路徑。

SPARC優(yōu)勢：新型超導(dǎo)磁體

    SPARC主要特點(diǎn)包括其緊湊的尺寸和強(qiáng)大的磁場，新的超導(dǎo)磁體能夠在比現(xiàn)有超導(dǎo)磁體更高的磁場和應(yīng)力下工作。這些特性將使設(shè)計(jì)和建造更小、更便宜的聚變設(shè)施成為可能，正如SPARC團(tuán)隊(duì)在最近的出版物中所描述的那樣，假設(shè)聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的快速α粒子能夠被容納足夠長的時(shí)間以保持等離子體的熱態(tài)。

 2020年9月29日，《等離子體物理學(xué)雜志 》?？慌e刊登7篇研究論文，全面報(bào)道了美國麻省理工學(xué)院（MIT）與初創(chuàng)公司CFS關(guān)于新型可控核聚變反應(yīng)堆研究工作的重大突破。

  在這系列論文中，研究人員詳細(xì)闡述了其關(guān)于小型化可控核聚變反應(yīng)堆的理論研究進(jìn)展。他們宣稱，在使用了新型高溫超導(dǎo)材料之后，其設(shè)計(jì)的SPARC反應(yīng)堆將能達(dá)到與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）同等級(jí)別的性能指標(biāo)，而體積卻只有后者的2%。

     SPARC項(xiàng)目用上了比ITER好得多的新型高溫超導(dǎo)材料——稀土鋇銅氧化物 (注：我國曾在承擔(dān)ITER采購包里率先采用了釔鋇銅氧（YBCO）的高溫超導(dǎo)電流引線)。為此，他們研究出了一種新型高溫超導(dǎo)導(dǎo)電帶，經(jīng)過數(shù)千次類似磁場環(huán)境情況下的循環(huán)之后，表現(xiàn)優(yōu)異。在液氦溫度下，僅有0.1mm厚、12mm寬的線纜可以通過5000安培的電流。與之相比，同等截面積下的普通銅線，在常溫下僅能安全通過約為6安培的電流。

　　這樣一來，SPARC就可以形成極其強(qiáng)大的磁場。為了達(dá)到與ITER同樣的Q值，SPARC的等離子體大半徑只需要1.85米就可以了。半徑縮小了3倍多，意味著體積將只有ITER的2%。這個(gè)體積相當(dāng)于一個(gè)中型反應(yīng)堆的大小，但其強(qiáng)得多的磁場卻讓它可以提供50~100兆瓦的核聚變能量。

　　除此之外，SPARC其 它設(shè)計(jì)原理都與ITER 一模一樣。

　　核能有兩種：裂變和聚變。裂變是我們最熟悉的一種。它包括原子分裂——鈾的同位素是最常見的——在一個(gè)釋放大量熱量的過程中。然后，這些熱量被用來把水變成蒸汽，然后驅(qū)動(dòng)相當(dāng)傳統(tǒng)的渦輪機(jī)來發(fā)電。

　　聚變是裂變的反面。它不是使原子分裂，而是在極端的高溫和壓力下迫使它們聚集在一起。從理論上講，這樣產(chǎn)生的熱量超過了維持這一過程所需的熱量，多余的熱量可以用來將水轉(zhuǎn)化為蒸汽，然后再驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。

    天空中最明亮的光——太陽，實(shí)際上就是一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)堆，已經(jīng)運(yùn)行了數(shù)十億年。

    核聚變是為太陽和其他恒星提供能量的物理反應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)更小、更輕的原子核合并在一起，形成一個(gè)更重的原子核并釋放能量時(shí)，就會(huì)發(fā)生核聚變。如果核聚變能在地球上實(shí)現(xiàn)并商業(yè)化，則可提供幾乎無限的清潔能源，而不會(huì)像核裂變那樣產(chǎn)生可能會(huì)保持?jǐn)?shù)千年放射性的廢物。

所有的核聚變項(xiàng)目都將托卡馬克反應(yīng)堆連接到熱交換器、渦輪機(jī)，并最終連接到配電系統(tǒng)。

參考資料：

Overview of the SPARC tokamak

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