托卡马克（Tokamak）核聚变堆，又称环磁机，是一种利用磁约束来实现聚变的环形容器，达到稳定的等离子体均衡需要围绕环面移动的螺旋形状的磁力线。核聚变（Nuclear fusion），又称核融合，是核裂变相反的核反应形式，将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核（或粒子）的一种核反应形式。在此过程中，聚变的原子核的物质被转化为能量，核聚变将成为未来的能量来源。如何高效产生可控的核聚变能，是科学家们在努力解决的课题。

由麻省理工学院（MIT）等离子体科学与融合中心（PSFC）主持研究开发的新一代的托卡马克核聚变堆：SPARC聚变反应堆，根据ARC聚变反应堆的概念来证明建造发电厂所需的技术和物理。ARC（Affordable, Robust, Compact 三个英文字的缩写，表示：价格合理、坚固耐用、紧凑）是麻省理工学院过去设计的紧凑型聚变反应堆，为ITER国际热核聚变实验堆直径的一半，但可产生三倍的电力，建造成本更低。

SPARC聚变反应堆是新一代的托卡马克核聚变堆，这是一种更为紧凑、更为高效的高场DT燃烧托卡马克，旨在创建并限制产生净聚变能的等离子体研究实验，作为实际无排放电厂的设计原型。

SPARC使用由新型高温钇钡钡铜氧化物（YBCO）制成的强力磁体，以产生等离子体，产生的能量是在高温下维持等离子体所需能量的两倍，从而使融合增益Q>2，能够在10秒内实现高达140 兆瓦（英文：megawatt，缩写MW）的聚变功率。

现在，经过深入研究和工程工作，负责定义和完善雄心勃勃的反应堆设计背后的物理学的研究人员发表了一系列论文，由来自12个机构的47位研究人员撰写的七篇研究论文，发表在即将出的《等离子体物理学》杂志上。这些论文概述了新聚变系统的理论和物理基础，总结了所取得的进展并概述了SPARC将实现的关键研究问题。

麻省理工学院等离子体科学与融合中心副主任、该项目的首席科学家之一、马丁·格林瓦尔德说，总体而言，这项工作进展顺利。这一系列论文为等离子体物理以及SPARC的性能预测提供了高度的信心。没有出现意料之外的障碍，其余的挑战似乎是可以控制的，这为该设备的构建奠定了坚实的基础。该新一代的托卡马克的建造将于2021年开始建造，为期四年完成。

SPARC计划成为实现“燃烧等离子体”（即自我维持的聚变反应）的第一个实验装置，在该反应中，氢元素的不同同位素融合在一起形成氦，而无需任何其他能量输入。研究这种燃烧的等离子体的行为，这是地球上以前从未有过的可控方式，被视为开发下一步的关键信息，这是实际的发电厂的工作原型。

这种聚变电厂可能会大大减少发电的温室气体排放，发电是全球温室排放的主要来源之一。这是麻省理工学院有史以来在核聚变领域开展的最大的私人研究、开发与投资项目之一。

SPARC的设计规模是麻省理工学院现已退役的Alcator C-Mod实验规模的两倍，与目前正在运行的其他多个研究聚变反应堆相似，但它的功能要强大得多，其聚变性能可与更大的国际财团正在法国建造的ITER反应堆相比。超导磁体的进步使得小尺寸的高功率成为可能，超导磁体的发展允许更大的磁场限制热等离子体。

研究人员使用了在强大的超级计算机上运行的尖端仿真，这些仿真是为辅助ITER设计而开发的，旨在为SPARC机器设计带来最佳的共识工具，以增强其实现其使命的信心。

到目前为止所做的分析表明，SPARC反应堆的计划聚变能输出应能够满足设计规范，并留有适度的余量。它的设计目的是使Q因子（表示聚变等离子体效率的关键参数）至少达到2，本质上意味着产生的聚变能量是泵入产生反应的能量的两倍，这将是首次任何形式的聚变等离子体产生的能量超过于其消耗的能量。

根据新论文的计算表明，SPARC实际上可以实现10或更高的Q比。格林瓦尔德说，研究团队希望保持谨慎，不要过分承诺，仍有大量工作要做，但到目前为止的研究结果表明，该项目至少将实现其目标，特别是将达到其关键目标。

格林瓦尔德说，关于等离子体的物理学仍有很多待认知，一旦这台机器启动并运行，就可以获得许多关键信息，这将有助于为聚变发电设备商业化铺平道路，聚变设备的燃料是氢的同位素氘和氚，这几乎是取之不尽、用之不竭的。

文章来源：《下一代英才》 网址: http://www.xydbjb.cn/zonghexinwen/2020/1001/957.html