你可能会说,都说核聚变反应要上亿度的高温,我很难想象用磁场,能把它约束在直径几米、十几米的空间里。地球磁场知道吧,可以说非常微弱,但它可以把带电的太阳粒子挡住,形成美丽的极光,也可以挡住宇宙射线,让地球生命得以生息繁衍。
而托卡马克要把上亿度的等离子体困在狭小的范围内,最关键就是强大的磁场,通过这段时间韩国LK-99室温超导的强行科普,你应该已经知道,超导体可以产生零电阻和强大的磁场了,而这些,正是托卡马克装置能够有效产生和维持所需电流及强大磁场的关键。
但室温超导没戏了,人造太阳是不是就要放一放,缓一缓了呢?这个可不能缓,地球变暖已经刻不容缓,人类和地球其他生命的命运,也已经等不及了。
全球大规模合作的典范国际热核聚变反应堆(ITER),从2007年开始设计建造,使用的就是铌基低温超导磁铁,需要在液氦,也就是4K的温度下工作,既昂贵又复杂,并限制了磁场强度的提高,还让它的体积变得很大,直径超过了12米,成本高达200亿美元。ITER目前正在建造安装,预计在2025年产生第一个等离子体,2035年开始聚变实验,但也仅仅只是确定核聚变发电是否可行,真正的发电不知要等到猴年马月去了。
但你在这几年一浪高过一浪的热浪中熬过就知道了,按照人类现在疯狂消耗能源的德性,悲观一点说,恐怕2035年都等不到,很多生命就要嗝屁了,我们就要苟延残喘,室温超导没戏,低温超导体积大,不是还有高温超导吗?干嘛都不用呢?
麻省理工用的材料钇钡铜氧,就是一种高温超导体。这里要简单澄清一下,室温超导和高温超导,超导分低温超导,也就是30K(-243.15℃)以下,高温超导,也就是30K以上的超导体,而室温超导,则是在0℃以上超导的材料,又叫常温超导,也就是在我们还能苟且活着的温度压力范围内,可以超导的材料,目前暂时还没有发现。
钇钡铜氧是第一个转变温度77K以上,高于液氮的高温超导体,1987年由阿拉巴马大学的吴茂昆和休斯敦大学的朱经武发现,后来科学家们发现它的单晶具有非常高的临界电流密度,也就是保持超导性的同时,可以通过很大的电流,但多晶的却很低,因而开发出了最有前途的方法,通过将钇钡铜氧沉积,涂在薄薄的柔性金属带上,称为钇钡铜氧胶带,或者高温超导胶带(HTS),可以在液氮温度(-196℃)下工作,在更小的空间内产生更强的磁场,目前已有美国、日本、法国,及欧洲多家公司可以生产。
麻省理工2018年开始从这些公司采购HTS,将全球大部分的4毫米高温超导胶带都买了下来,然后绕成16个线圈,创建了一个可以环绕托卡马克的环形磁场,并在2021年达到了破纪录的,20特斯拉的磁场强度,是地磁场的40万倍,这个强度有多大呢?它可以直接将一艘航空母舰抬出水面!
CFS在获得20亿美元投资后,已开始建造一个新型的托卡马克聚变反应堆Sparc,需要18个超导磁体,10000公里的HTS胶带,目前已买到了1/3,剩余部分已签订了订单。
Sparc是一个紧凑、高场、净聚变能量的装置,主半径1.85米,副半径0.57米,环向磁场12.2特斯拉,等离子体电流8.7兆安,聚变功率50-100兆瓦,聚变增益Q大于10。这个是什么意思呢?
聚变增益Q是指核聚变反应堆产生的聚变功率,与维持等离子体所需的加热功率之比,简单来说,就是输出能量和输入能量之比。Q越大,说明反应堆效率越高,能够产生更多的净能量。当Q=1时,称为临界状态,此时聚变功率等于加热功率。当Q>1时,称为超临界状态,反应堆产生净能量。当Q大于5时,被认为可以点燃氘氚聚变,但要维持商业反应堆,Q需要达到30-50。点火后Q趋于无穷大,聚变功率远大于加热功率,反应堆就可以自我维持,并释放巨大的能量,源源不断地供我们挥霍,从而实现能源自由,以后点灯就点两盏,一盏点在屋里,一盏点在太阳坝头。
所以在钇钡铜氧胶带的加持下,Sparc的体积只有国际热核聚变装置ITER的1/40,成本可能只有1/50,要是真的能在2025年实现核聚变点火,并获得净能量收益,那简直就是一个奇迹了。