前几天我们简单介绍了世界各地常见的托卡马克设备，今天让我们深入了解其中SPARC装置的独特之处。
SPARC背景介绍：
SPARC是一种先进的托卡马克核聚变反应器，由美国能源部下属的普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）、麻省理工学院的等离子体科学与核聚变中心（PSFC），以及联邦核聚变系统（CFS）共同研发。托卡马克，也被称为环磁机，是一种运用磁场来约束等离子体以实现控制的环形装置。
托卡马克（Токамáк）这一术语源自其俄语词根，代表着环形、真空室、磁和线圈的组合。基本上，托卡马克设备利用一系列环形线圈，在真空环境中形成一个封闭的磁场，内含循环的磁力线。带电的等离子体被这些磁力线捕获，沿着螺旋轨迹运动，从而被限制在一个由磁场构成的“笼子”里。这个过程中产生的热能可以有效地被收集并转换成电能。自上世纪五六十年代苏联时期起，多个国家纷纷建立了自己的托卡马克反应堆。其中，正在建设的国际热核聚变实验反应堆（ITER）堪称最重要的项目，它由多国联合构建，旨在成为全球最大的磁约束等离子体物理实验设施。
SPARC代表了一种紧凑型、净能源输出高的聚变装置概念。SPARC的主要半径为1.85米，倒比率为0.31（等离子体装置中主要半径与小半径的比例的倒数），这使得它在尺寸和形状比上与当前许多“中等规模”的托卡马克装置相似，例如DIII-D、ASDEX Upgrade、EAST和KSTAR。然而，SPARC拥有更高的环形磁场（12.2特斯拉），这使得在相同的安全因子下可以实现更大的等离子体电流，并且比现有设备有更高的三重乘积（ 一个衡量聚变装置性能的参数，由等离子体的温度、密度和能量约束时间相乘得到）。
SPARC的实验不仅有望展示净能量输出，而且会验证使用新型超导技术制造高场设备的可行性。这一战略符合利用新型高温超导（HTS）磁体加速聚变技术发展的愿景。
CFS科研团队的科学家预测，到2025年某个时刻，他们的机器将取得突破，产出的能量将是消耗能量的10倍。据称，这一开创性成果意味着该初创企业有望在21世纪30年代初，推出一款与小型煤电厂发电量相当的，且尺寸适中的设备。CFS的目标，是打造一款与ITER大相径庭的核聚变机器：体型小巧、建造周期短、成本更低。相较于数十亿美元的ITER，这款原型机仅需数亿美元；从建造时间上看，也仅需数年而非数十年。
2025年，若项目如期完成，人类将迎来史上首个能量输出高于输入的可控核聚变反应堆。这不仅是技术上的巨大飞跃，更意味着可控核聚变反应的研究进程将提前至少十年。更重要的是，这为未来小型化、低成本的商用可控核聚变反应堆的发展，开辟了一条全新的道路。
SPARC优势：新型超导磁体
可控核聚变，这个长期以来令人着迷却又充满挑战的领域，正在迎来一场技术革命。而作为这场革命的关键推动者，SPARC项目凭借其独特的超导磁体技术，正在向世界展示其独特魅力。
SPARC超导磁体的最大特点在于其紧凑的尺寸和强大的磁场。与传统超导磁体相比，新型超导磁体能够在更高的磁场和应力下稳定工作。这一技术突破不仅为设计和建造更小、更经济的聚变设施提供了可能，更是对整个可控核聚变领域的一次深刻变革。
在SPARC项目中，研究人员采用了一种名为稀土钡铜氧化物的超导材料。这种材料在高温和强磁场环境下表现出色，为超导磁体的稳定运行提供了有力保障。而在实际应用中，研究人员更是研发出了一种新型的超导导电带。这种导电带具有优异的导电性能，即使在数千次循环的磁场环境下，也能保持稳定的性能。
据悉，SPARC项目所使用的高温超导导电带在液氦温度下，仅有0.1mm厚、12mm宽的线缆就可以承受高达5000安培的电流。相比之下，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。这一显著优势使得SPARC反应堆在体积仅为传统反应堆2%的情况下，仍能达到与国际热核聚变实验堆（ITER）同等级别的性能指标。
这一创新性技术在2020年9月29日的《等离子体物理学杂志》上得到了全面报道。在这一系列研究论文中，麻省理工学院（MIT）与初创公司CFS的研究人员详细阐述了小型化可控核聚变反应堆的理论研究进展。他们坚信，通过使用新型高温超导材料和技术，未来可控核聚变反应堆将实现更高效、更环保的能源生产方式。
SPARC拥有构建超强磁场的独特能力。为了达到与ITER相当的Q值，SPARC仅需1.85米的等离子体大半径，相比ITER缩小了3倍有余。这意味着SPARC的体积仅为ITER的的2%，大小相当于一个中型反应堆。然而，它强大的磁场却能释放出50~100兆瓦的核聚变能量。值得一提的是，除了这一显著优势外，SPARC在其他设计原理上与ITER完全一致。这种独树一帜的设计理念和高度集成的技术，让SPARC在核聚变领域独树一帜，展现出巨大的应用潜力。
随着 SPARC 项目的持续进展，我们正逐渐接近一个新时代——一个清洁、高效的能源时代。借助于像 SPARC 这样的革新项目，我们或许能见证那个全新能源纪元的到来。
参考链接：
https://mp.weixin.qq.com/s/pJUbRcgk62HX0XHlPXXSew
https://mp.weixin.qq.com/s/rf-k9IJTMYDL42uK9cEL0Q
https://mp.weixin.qq.com/s/l8FwpNK1sN6uM40jkGpIng
https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-plasma-physics/article/overview-of-the-sparc-tokamak/DD3C44ECD26F5EACC554811764EF9FF0