让可控核聚变成为可能的托卡马克装置，为什么离不开超导技术？

随着时代的变迁，资源、环境与人类的需求之间的“矛盾”逐渐凸显，已然成为社会发展的一大阻碍，无论是现在还是在不久的将来，如果找不到可替代、可持续能源，行业的发展必然会受到局限。

近些年，包括我国在内的世界多个过年都在积极摆脱对石油、天然气的依赖，寻求大力发展可持续能源，比如太阳能、风能、核能等。

与太阳能、风能相比，核能有着能量密度高的特点，自然而然成为大力发展的一大对象，不过要想从原子中源源不断的“夺取”能量，难度不比虎口拔牙小。

蕴藏大量能量的原子核：能源储备基地

说起核反应，大家一定都有所耳闻。

从原子弹到核电站，从氢弹到太阳，无不涉及到核反应。不同的是，前者涉及到的是核裂变，后两个涉及到的是核聚变，一个是裂开，一个是聚集，有着本质上的区别。

我们身边的事物大多都由原子构成，而原子又可拆分为电子和原子核两部分。不同的原子核稳定性不同，“蕴藏”有不同的能量，能量高者不稳定，其中以铁原子核最为稳定。

因此，当原子核发生反应向铁核靠近时，会释放出不等的能量。

当两个或多个较轻的原子核碰撞，融合成一个原子核时，会释放大量能量，这便是核聚变的原理。

这是由于反应后生成的新原子核总质量小于反应前各原子核的总质量，亏损的那部分质量不会无端地消失，而是转化为能量被释放出来，而且极少的质量就可以转化成很大的能量。

说来简单做着难

1939年，美国核物理学家贝特利用加速器将一个氘原子核与一个氚原子核加速到极高的速度发生碰撞，两个原子核发生融合，生成了一个新的原子核——氦核和一个中子，并释放出17.6兆电子伏特的能量，这是人类历史上首次自主实现核聚变。

现如今，核裂变早已应用于商业，并取得不俗的效益。不过，你可能不知道的是，核聚变要早于核裂变被提出。

1933年，核聚变就已被提出，而直到5年之后，改变世界战争格局的核裂变才被正式提出。

虽然“出世”早，但核聚变的发展不如核裂变顺畅，发展至今，碰了不少壁，高温高压成为横亘在人们面前的两堵墙，明明知道围墙外是美好的世界，但一直囿于困难之中。

小小原子核拥有大能量

核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应或聚变反应，主要是指氘或氚的聚变反应。与核裂变相比，核聚变对于条件的要求极为苛刻。只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够坦诚相见，互相吸引而碰撞到一起，发生聚变作用，生成新的质量更重的原子核（如氦核）和中子。

核聚变的过程与核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过程。核聚变会释放出巨大的能量，而且比核裂变放出的能量更大。太阳内部连续进行着氢聚变成氦过程，它的光和热就是由核聚变产生的。

核聚变反应的原理很简单，很好理解，但要想稳定可控，却是人类现有技术难以跨越的槛，确实是个不小的考验。下面来简单看一下可控核聚变的大致步骤和技术要求。

第一步：作为反应物的混合气体被加热到等离子态——这就要求温度足够高，使得电子能摆脱原子核的束缚，离核远去。只有这样，原子核才能完全裸露，使得原子核可以发生直接接触碰撞，这一步要达到大约10万摄氏度的温度才能顺利进行。

第二步：克服库仑力。原子核由质子和中子组成，它们之间靠核力结合在一起，同样，它们会对外来的粒子施加强烈的斥力，阻止它们靠近自己。因此需要继续加温，以使得原子核达到更高的温度，发生聚变。这一步需要上亿摄氏度的温度。

经过以上两个步骤后，核聚变便有了先天条件，可以发生了。氚的原子核和氘的原子核以极大的速度，赤裸裸地发生碰撞，产生了新的氦核和新的中子，释放出巨大的能量。

不过可惜的是，目前人类仍然没有发明出可以承受如此高温度的材料或装置结构。既然靠化学解决不了，那就尝试用物理方法来解决吧。

物理学家们先后提出了惯性约束、磁约束等方法。由苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出的磁约束在可行性和技术难度上要优于惯性约束，因此当今世界可控核聚变研究主要使用此方法。

而借由此方法发明出来的装置便是被大众所知晓的托卡马克（Tokamak）,其是由苏联科学家阿齐莫维齐的团队发明的，由环形真空室、产生磁场的线圈和其他辅助设施组成。

什么是“超托卡马克装置”呢？

托卡马克这个名字来源于四个俄语单词——环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、线圈（kotushka），而这也恰好体现了它的主要构造。

托卡马克装置的工作原理可分为微波加热和磁约束两部分。

微波加热的作用就是加热、加速粒子，从而生成等离子体，并使粒子达到极高的速度。

磁约束的作用是将等离子体约束在磁场中，发生相互作用，磁场越强，约束能力也就越强。因此我们可以通过调控磁场的强度与分布，把等离子体约束在一定范围内。

托卡马克装置的核心就是产生强磁场，要产生磁场，仅仅依靠磁铁、永磁体必然是不可能达到要求的，那么就要用线圈，通电产生磁场，电生磁。

有电阻在，不得不使用超导技术

而线圈由导线缠绕组成，无论哪种材料，只要在超导温度以上，电阻是必然存在的。

托卡马克装置要想产生极强的磁场，导线中必须通以极大的电流。这个时候，电阻使得线圈的效率降低，产生能耗，得不偿失。

幸好，超导技术的发展给这一问题带来转机。只要借助超导技术，理论上就可以解决电阻和损耗的问题，于是，使用超导线圈并使用液氮或液氦制造超低温的托卡马克装置就诞生了，这就是超托卡马克。

目前为止，世界上仅有4个国家有大型超托卡马克装置，它们分别是：法国的Tore－Supra，俄罗斯的T-15，日本的JT-60U，和中国的EAST。除了EAST以外，其他几个都只能叫“准超托卡马克”，因为它们的水平线圈是超导的，垂直线圈则是常规的，因此还是会受到电阻的困扰。

在可控核聚变的道路之上，人类还有很长的一段路要走，一旦实现并投入商用，人类受困于资源的窘境便能得到很好的解决，可持续发展之梦将不再远。