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SPARC简介： SPARC 是由美国能源部（DOE）的普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）与麻省理工学院的等离子体科学与核聚变中心（PSFC）和联邦核聚变系统（CFS）合作开发的托卡马克核聚变装置；托卡马克，又称环磁机，是一种利用磁约束来实现磁约束聚变的环型容器 。 视频1: SPARC:高场的商业聚变能发展路径  SPARC托卡马克装置正在设计中，作为一个中型DT燃烧实验。通过使用新型高温超导磁体，它将在R=1.85 m和a=0.57 m的设备中实现12.2 T，8.7 MA。SPARC的物理任务是创造和限制产生净聚变功率的等离子体，并消除高场路径上的风险，从而获得商业聚变能。满足该任务的性能被定义为Q>2和PFusion>50MW，这将远远超过ICRF输入功率的25MW。我们认为，实现这一目标将充分证明聚变将坚定地纳入世界能源计划。设计中针对性能假设中的不确定性建立了显著的裕度，因此公认的物理学预测，SPARC可以在Q>10的情况下产生超过140MW的聚变功率。SPARC的成功运行将为ARC级聚变中试装置的建设提供信息并使其成为可能，该装置的主半径约为3米，可产生超过500兆瓦的聚变功率。在这条发展道路上，开发所需聚变技术的并行计划被设想为一种广泛的合作。
视频2: SPARC：在这10年里奔向燃烧着的等离子体 视频作者：Dr.Pablo R-Fernandez 视频3: SPARC 20T 高强磁场发展的漫长发展历程 2021年9月5日凌晨，麻省理工学院等离子体科学与聚变中心和联邦聚变系统的联合项目SPARC环形场模型线圈（TFMC）实现了超过20特斯拉的峰值磁场。这一时刻开创了一个用于科学和工业应用的强大高场超导磁体的新时代，并实现了长期寻求的聚变能向更小、更低成本设备的范式转变。但这是怎么发生的呢？哪些技术和先驱为TFMC奠定了基础？如何能够在短短两年内实施如此规模和创新的项目？为什么这件事发生在麻省理工学院而不是其他地方？为了回答这些问题，本次演讲将试图描绘麻省理工学院在高场磁体研究、开发和运营方面长达一个世纪的历程，这些历程为TFMC项目的成功奠定了基础，然后，在技术和历史背景牢固确立的情况下，对TFMC项目本身进行更有意义的概述。 视频作者：Dr.Zach Hartwig@PSFC 所谓的“托卡马克（Токамáк），来源于俄语的环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）和线圈（kotushka）。顾名思义，就是在真空的环境中，用环形线圈形成一个封闭的磁场，里面充满没头没尾的磁感线。等离子体是带电的，会被封闭的磁感线束缚住，绕着它做螺旋式运动，这样，参与核聚变反应的等离子体就会被束缚在磁场做的笼子里面。其所产生的热能，就可以有序地释放出来，被发电系统收集，最后转变为电能。 从上世纪五六十年代的苏联开始，不少国家都建立起自己的托卡马克反应堆。其中最重要的，是正在建设中的国际热核聚变实验反应堆（ITER），由欧盟、印度、日本、中国、俄罗斯、韩国和美国共同建设，是世界上最大的磁约束等离子体物理学实验装置。 SPARC一种紧凑、高场强、净聚变能装置的概念设计。SPARC尺寸大半径为1.65米，小半径为0.5米，是现有中型聚变装置的大小，但磁场要强得多。根据已建立的物理学，在12吨的环形场和7.5兆安的等离子体电流下运行，该装置预计将产生50-100MW的聚变功率，实现聚变增益Q大于10。这样的实验将是首次展示净能量增益，并将验证采用新超导技术制造高场设备的前景。SPARC符合通过使用新型高场高温超导（HTS）磁体加速聚变发展的总体战略。
CFS 的科学家们预计，到 2025 年的某个时间点，他们的机器将突破这个门槛，产生的能量是其消耗的 10 倍。他们说，这一示范将使这家初创公司能够在 21 世纪 30 年代早期开发出能够提供与小型煤厂一样多电能的正常尺寸的设备。 CFS 相信它可以提供一种与 ITER 截然相反的核聚变机器：体积小、建造快、成本更低。原型机应该花费数亿美元，而不是数百亿美元，并且需要几年而不是几十年的时间来建造。 如果项目能够如期在2025年完成，这将成为世界上首个输出能量大于输入能量的可控核聚变反应堆，将人类关于可控核聚变反应的研究进展大幅提前至少十年；更为未来小型化、低建造难度的商用可控核聚变反应堆指出一条全新的发展路径。
SPARC优势：新型超导磁体 SPARC主要特点包括其紧凑的尺寸和强大的磁场，新的超导磁体能够在比现有超导磁体更高的磁场和应力下工作。这些特性将使设计和建造更小、更便宜的聚变设施成为可能，正如SPARC团队在最近的出版物中所描述的那样，假设聚变反应中产生的快速α粒子能够被容纳足够长的时间以保持等离子体的热态。 2020年9月29日，《等离子体物理学杂志 》专刊一举刊登7篇研究论文，全面报道了美国麻省理工学院（MIT）与初创公司CFS关于新型可控核聚变反应堆研究工作的重大突破。 在这系列论文中，研究人员详细阐述了其关于小型化可控核聚变反应堆的理论研究进展。他们宣称，在使用了新型高温超导材料之后，其设计的SPARC反应堆将能达到与国际热核聚变实验堆（ITER）同等级别的性能指标，而体积却只有后者的2%。 SPARC项目用上了比ITER好得多的新型高温超导材料——稀土钡铜氧化物 (注：我国曾在承担ITER采购包里率先采用了钇钡铜氧（YBCO）的高温超导电流引线)。为此，他们研究出了一种新型高温超导导电带，经过数千次类似磁场环境情况下的循环之后，表现优异。在液氦温度下，仅有0.1mm厚、12mm宽的线缆可以通过5000安培的电流。与之相比，同等截面积下的普通铜线，在常温下仅能安全通过约为6安培的电流。
这样一来，SPARC就可以形成极其强大的磁场。为了达到与ITER同样的Q值，SPARC的等离子体大半径只需要1.85米就可以了。半径缩小了3倍多，意味着体积将只有ITER的2%。这个体积相当于一个中型反应堆的大小，但其强得多的磁场却让它可以提供50~100兆瓦的核聚变能量。 除此之外，SPARC其 它设计原理都与ITER 一模一样。
核能有两种：裂变和聚变。裂变是我们最熟悉的一种。它包括原子分裂——铀的同位素是最常见的——在一个释放大量热量的过程中。然后，这些热量被用来把水变成蒸汽，然后驱动相当传统的涡轮机来发电。 聚变是裂变的反面。它不是使原子分裂，而是在极端的高温和压力下迫使它们聚集在一起。从理论上讲，这样产生的热量超过了维持这一过程所需的热量，多余的热量可以用来将水转化为蒸汽，然后再驱动涡轮机发电。 天空中最明亮的光——太阳，实际上就是一个巨大的核聚变反应堆，已经运行了数十亿年。
核聚变是为太阳和其他恒星提供能量的物理反应。当两个更小、更轻的原子核合并在一起，形成一个更重的原子核并释放能量时，就会发生核聚变。如果核聚变能在地球上实现并商业化，则可提供几乎无限的清洁能源，而不会像核裂变那样产生可能会保持数千年放射性的废物。
所有的核聚变项目都将托卡马克反应堆连接到热交换器、涡轮机，并最终连接到配电系统。 参考资料： Overview of the SPARC tokamak |
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