强大的电磁铁有助实现聚变核能

文|陈根

托卡马克(Tokamak)是一种环形装置,可以通过约束电磁波驱动创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,并实现人类对聚变反应的控制。受控热核聚变在常规托卡马克装置上已经实现。但常规托卡马克装置体积庞大、效率低,突破难度大。

上世纪末,科学家们把新兴的超导技术用于托卡马克装置,使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。据科学家估计,可控热核聚变的演示性的聚变堆将于2025年实现,商用聚变堆将于2040年建成。

不久前,中国的全超导托卡马克核聚变实验装置“东方超环”刷新了世界纪录:在其第98958次放电中,成功实现可重复的1．2亿摄氏度101秒和1．6亿摄氏度20秒等离子体运行,是1亿摄氏度20秒原纪录的5倍。

近日,麻省理工学院(MIT)的研究人员成功开发出一种高温超导磁铁,其磁场强度达到20 Teslas,打破有史以来最强磁场强度的世界纪录,该磁铁或将成为开启核聚变并向世界提供清洁无碳能源的进程加速。

新磁铁由16个板块堆叠在一起组成,高约3米,利用一种叫做ReBCO的超导材料。在大约两周的运行时间内,它能够达到破纪录的20特斯拉的磁场强度。此外,被束缚的等离子体可以被加热到1亿摄氏度或更高的温度,从而能够触发核聚变反应。

人工聚变反应以前也曾发生过,但到目前为止,它们运行所消耗的能量总是大于产生的能量(保持这些磁场以容纳等离子体需要大量的能量)。通过改进磁体,研究人员有望开发出第一个最终生产出能量大于消耗的反应堆。

值得一提的是,有了该磁体,就有可能在体积仅之前1/40的反应堆中获得类似的性能。而且,用于驱动反应堆的燃料将是水中的氢同位素——由于我们拥有几乎无限的水,这些反应堆几乎可以无限期地运行。

未来,有望在2025年前,研究人员能够将他们开发的强大的新磁铁排列到托卡马克反应堆中,并由此产生净正核聚变。