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用于进行可控的核聚变实验装置：托卡马克系统，它的外形像甜甜圈一样。 所谓“核聚变”，就是两个较轻的原子核结合在一起形成一个较重的原子核，并释放出巨大能量的过程。由于实现可控的核聚变要求极高：一亿度的高温以及1000秒的原子核等离子化时间。为了实现可控的核聚变反应，世界各国合作在法国建设了国际热核反应堆实验（ITER），按计划ITER将于本世纪中叶实现发电应用。而美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）日前却声称，他们研发的新型ARC核聚变反应堆可能在十年后实现商业化运营，不过这项计划目前还只是停留在图纸设计阶段。 图片说明：钢铁侠胸前装有一个小型的核反应堆。图片来源：Marvel 麻省理工学院“ARC反应堆”的名字来源于科幻电影《钢铁侠》，意思为：“Affordable经济，Robust强劲，Compact简洁”。钢铁侠胸前的能量块其实就是一个这样的反应堆。有趣的是，在电影中钢铁侠托尼·斯塔克（Tony Stark）的毕业学校正是MIT。 研究人员解释说，其实ARC和ITER不仅外形相像（都有着甜甜圈一样的外表），工作原理也都是基于托卡马克原理的核反应堆，将氘、氚等燃料注入燃烧室，通过加热到一亿度的高温使其形成等离子体。周围超导线圈产生的强磁场将使这些等离子体远离墙壁并持续发生反应，最终核聚变反应产生的能量不仅能维持聚变反应的持续发生，而且会产生更多的能量用于发电。当核聚变产生的电量超过用于引发核聚变发生的电量时，就能实现核聚变的商业化应用。 图片说明：研究人员右手的新型超导体材料REBCO，可以和左手产生相同功率的同时，体积大大减小。图片来源：Jose-Luis Olivares/MIT。 参与这项计划的MIT博士生Brandon Sorbom称，新兴的ARC反应堆与ITER的关键性差异在于使用了不同的材料做超导线圈。MIT在这项研究中使用了稀土钡铜氧化物（rare-earth barium copper oxide，REBCO）作为超导线圈材料，与传统的材料相比REBCO具有显著优点。 首先，使用了新型材料作为超导体的ARC反应堆更高效，随着磁场能量的增加，相应地会造成核聚变能量的四次方倍增。也就是说，磁场能量提高一倍，产生的聚变能将增加16倍。虽然ARC产生的磁场强度还不到之前的两倍，但任何磁场的增加都会带来聚变能量的巨大改变，由此引起的聚变能可以增加为原来的10倍。 其次，ARC反应堆体积更小、成本更低。由于使用了新的REBCO材料作为超导体，促进了反应堆设计方案的优化和改进，ARC反应堆的最大半径为3.3米，最小半径为1.1米，在产生相同功率的同时，其尺寸仅为ITER反应堆的一半，因此建设成本也更低。 根据MIT的设计方案，ARC反应堆产生的能量将是维持它运行所需能量的三倍左右。不过Sorbom认为，随着系统的改进，最后的核能产出将是五到六倍，一台ARC反应堆所产生电能可以满足10万人的日常使用。 负责这个项目的管理人员称：“核聚变将是未来最重要的能量来源，我们应当加快研究，目前化石能源（煤炭、石油、天然气等）的消耗正在加速全球变暖。”MIT的研究人员表示，他们将在五年内建造出类似于ARC大小和难度的核聚变装置。（科学之家，译审/编辑：F Cheng） 关注科学之家微信公众号：科学HOME (长按复制) 收取新鲜科学资讯。 |
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