隨著時代的變遷，資源、環境與人類的需求之間的“矛盾”逐漸凸顯，已然成為社會發展的一大阻礙，無論是現在還是在不久的將來，如果找不到可替代、可持續能源，行業的發展必然會受到侷限。

近些年，包括中國在內的世界多個過年都在積極擺脫對石油、天然氣的依賴，尋求大力發展可持續能源，比如太陽能、風能、核能等。

與太陽能、風能相比，核能有著能量密度高的特點，自然而然成為大力發展的一大物件，不過要想從原子中源源不斷的“奪取”能量，難度不比虎口拔牙小。

蘊藏大量能量的核

說起核反應，大家一定都有所耳聞。

從原子彈到核電站，從氫彈到太陽，無不涉及到核反應。不同的是，前者涉及到的是核裂變，後兩個涉及到的是核聚變，一個是裂開，一個是聚集，有著本質上的區別。

我們身邊的事物大多都由原子構成，而原子又可拆分為電子和原子核兩部分。不同的原子核穩定性不同，“蘊藏”有不同的能量，能量高者不穩定，其中以鐵原子核最為穩定。

因此，當原子核發生反應向鐵核靠近時，會釋放出不等的能量。

當兩個或多個較輕的原子核碰撞，融合成一個原子核時，會釋放大量能量，者便是核聚變的原理。

這是由於反應後生成的新原子核總質量小於反應前各原子核的總質量，虧損的那部分質量不會無端地消失，而是轉化為能量被釋放出來，而且極少的質量就可以轉化成很大的能量。

說來簡單做著難

1939年，美國核物理學家貝特利用加速器將一個氘原子核與一個氚原子核加速到極高的速度發生碰撞，兩個原子核發生融合，生成了一個新的原子核——氦核和一箇中子，並釋放出17.6兆電子伏特的能量，這是人類歷史上首次自主實現核聚變。

現如今，核裂變早已應用於商業，並取得不俗的效益。不過，你可能不知道的是，核聚變要早於核裂變被提出。

1933年，核聚變就已被提出，而直到5年之後，改變世界戰爭格局的核裂變才被正式提出。

雖然“出世”早，但核聚變的發展不如核裂變順暢，發展至今，碰了不少壁，高溫高壓成為橫亙在人們面前的兩堵牆，明明知道圍牆外是美好的世界，但一直囿於困難之中。

小小原子核擁有大能量

核聚變（nuclear fusion），又稱核融合、融合反應或聚變反應，主要是指氘或氚的聚變反應。與核裂變相比，核聚變對於條件的要求極為苛刻。只有在極高的溫度和壓力下才能讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個原子核能夠坦誠相見，互相吸引而碰撞到一起，發生聚變作用，生成新的質量更重的原子核（如氦核）和中子。

核聚變的過程與核裂變相反，是幾個原子核聚合成一個原子核的過程。核聚變會釋放出巨大的能量，而且比核裂變放出的能量更大。太陽內部連續進行著氫聚變成氦過程，它的光和熱就是由核聚變產生的。

核聚變反應的原理很簡單，很好理解，但要想穩定可控，卻是人類現有技術難以跨越的檻，確實是個不小的考驗。下面來簡單看一下可控核聚變的大致步驟和技術要求。

第一步：作為反應物的混合氣體被加熱到等離子態——這就要求溫度足夠高，使得電子能擺脫原子核的束縛，離核遠去。只有這樣，原子核才能完全裸露，使得原子核可以發生直接接觸碰撞，這一步要達到大約10萬攝氏度的溫度才能順利進行。第二步：克服庫侖力。原子核由質子和中子組成，它們之間靠核力結合在一起，同樣，它們會對外來的粒子施加強烈的斥力，組織它們靠近自己。因此需要繼續加溫，以使得原子核達到更高的溫度，發生聚變。這一步需要上億攝氏度的溫度。

經過以上兩個步驟後，核聚變便有了先天條件，可以發生了。氚的原子核和氘的原子核以極大的速度，赤裸裸地發生碰撞，產生了新的氦核和新的中子，釋放出巨大的能量。

不過可惜的是，目前人類仍然沒有發明出可以承受如此高溫度的材料或裝置結構。既然靠化學解決不了，那就嘗試用物理方法來解決吧。

物理學家們先後提出了慣性約束、磁約束等方法。由蘇聯科學家塔姆和薩哈羅夫提出的磁約束在可行性和技術難度上要優於慣性約束，因此當今世界可控核聚變研究主要使用此方法。

而藉由此方法發明出來的裝置便是被大眾所知曉的託卡馬克（Tokamak）,其是由蘇聯科學家阿齊莫維齊的團隊發明的，由環形真空室、產生磁場的線圈和其他輔助設施組成。

什麼是“超託卡馬克裝置”呢？

託卡馬克裝置的工作原理可分為微波加熱和磁約束兩部分。

微波加熱的作用就是加熱、加速粒子，從而生成等離子體，並使粒子達到極高的速度。

磁約束的作用是將等離子體約束在磁場中，發生相互作用，磁場越強，約束能力也就越強。因此我們可以透過調控磁場的強度與分佈，把等離子體約束在一定範圍內。

託卡馬克裝置的核心就是產生強磁場，要產生磁場，僅僅依靠磁鐵、永磁體必然是不可能達到要求的，那麼就要用線圈，通電產生磁場，電生磁。

有電阻在，不得不使用超導技術

而線圈由導線纏繞組成，無論哪種材料，只要在超導溫度以上，電阻是必然存在的。

託卡馬克裝置要想產生極強的磁場，導線中必須通以極大的電流。這個時候，電阻使得線圈的效率降低，產生能耗，得不償失。

幸好，超導技術的發展給這一問題帶來轉機。只要藉助超導技術，理論上就可以解決電阻和損耗的問題，於是，使用超導線圈並使用液氮或液氦製造超低溫的託卡馬克裝置就誕生了，這就是超託卡馬克。

目前為止，世界上僅有4個國家有大型超託卡馬克裝置，它們分別是：法國的Tore－Supra，俄羅斯的T-15，日本的JT-60U，和中國的EAST。除了EAST以外，其他四個大概都只能叫“準超託卡馬克”，它們的水平線圈是超導的，垂直線圈則是常規的，因此還是會受到電阻的困擾。

在可控核聚變的道路之上，人類還有很長的一段路要走，一旦實現並投入商用，人類受困於資源的窘境便能得到很好的解決，可持續發展之夢將不再遠。

既然想模式太空的懸浮，那麼月球上的塵埃等是怎麼落在月面上的呢？這一問題能夠搞清。我想懸浮問題可能就徹底解決。

託卡馬克的核心原理是用等離子體隔熱層阻隔核聚變反應的超高超高的溫度！！！而這等離子體的持續產生需要持續超強大的電流！！！如果不用超導技術，那這麼大的電流就在導體內會產生超高熱，影響等離子體隔熱層的持續產生。目前，中國託卡馬克持續工作時間為102秒！！是5000萬度超高溫下全球第一！這已經是很難的了！！

託卡馬克為什麼要用超導技術？

首先託卡馬克裝置是一個“磁約束”技術的核聚變技術，現在結合生活通俗易懂地講解一下這個裝置，之後再講為什麼要用超導技術。

1、左手定則（初中知識）

圖1

左手定則，左手平展，手心對準N極，大拇指與並在一起的四指垂直 ，四指指向電流方向，大拇指所指的方向為受力方向。如上圖所示：導體通電後受到拇指方向的一個力（力的大小與磁場強度有關：F=BIL）

2、核聚變

先看下核聚變材料之一如下圖

圖2

氘（1個質子+1箇中子）+氚（1個質子+2箇中子）=氦（2個質子+2箇中子）

如上圖：氘氚在聚變之前為離子態，呈現電性。即氘與氚離子在圖1所示的此處下，按照圖中紅色箭頭方向移到，將受到拇指方向的力。這裡說明了什麼呢？如下圖：

圖3

氘離子受到了磁場的約束，受力指向左邊（假設氘運動向垂直螢幕指向裡面），離子會遠離上、下與右邊。現在再加一對磁場如下圖所示：

圖4

氘離子受到兩個磁場的力，最終合力大小有這兩對磁場及“氘”離子的運動速度有關。總體受力方向為指向左下角（第三象限90度範圍內）。下面將這兩對磁場旋轉起來，按下圖所示：

圖5

如上圖所示：氘離子的受力方向將隨著磁場旋轉起來（與電機的旋轉磁場類似）。如果把這個磁場做成圓環管狀，離子將在圓環管內運動，控制磁場的大小及方向按要求旋轉，這樣參與核聚變的離子流（氘離子，氚離子）就像“水”一樣在“管”內迴圈流動，但不會碰到管壁，這是最關鍵的磁場控制技術。下面看下託卡馬克裝置如下圖：

這個裝置就像我們日常喝水用的雙層真空保溫杯一樣，開水只會傳熱到內層玻璃，中間真空層隔離了熱量的傳遞，外面的玻璃就不湯手，這裡保溫杯的高溫隔離物體是內層玻璃與真空；而託卡馬克裝置的隔離物是磁場約束力，由磁場約束粒子的運動。

核聚變溫度極高，溫度的本質是粒子的震動，而且溫度沒有上限（即粒子運動的劇烈程度）。既然核聚變內部粒子運動受到旋轉磁場的約束，自然不會碰撞的核聚變裝置的圓環管狀內壁，這樣對內壁的受熱要求可以大大降低（因為核聚變還有不受磁場約束粒子（比如“中子”））。

至此核聚變原材料的控制告一段落。核聚變還有很多相關技術，比如：點火，壓力控制，加入聚變材料，材料離子化，匯出聚變產物“氦，聚變產生的中子怎麼處理等等，這些就不細細講，因為題主的問題是“為什麼用超導技術”。

3、超導

為了控制磁場，約束核聚變的離子，需要極大的電流。電流強度與磁場強度正相關。為了減少發熱，減少電能損耗。因為超導體內阻極小（甚至可以忽略內阻）。我們知道導體內阻的功耗為 P=IIR。同樣電流下R越小，功耗（損失）越小。這個是經濟上考慮的，同時也是為了減少託卡馬克裝置的散熱要求。

總之：超導技術的應用一是經濟性考慮，二是技術現實考量。整個託卡馬克裝置最關鍵的技術就是磁場控制技術。

超導能起到懸浮的作用，但是超導一項技術至今都還未能有效的得到突破，透過強大電流產生磁場，使其物體物理懸浮，託卡馬克裝置燃燒室溫度過億度，溫度升高導致磁場衰敗，使其物體，極速下降，實驗託卡馬克燃燒室裝置只能選擇無條件被迫關閉，做降溫處理，地球是有萬物引力的，在太空可能會實現永久懸浮，在地球，實現超導技術，模擬太空環境，顯然不現實，地球金屬類器材燃燒成流體狀態失去磁場，燃燒室無法有效控溫，導致託卡馬克裝置容器下降，易損毀託卡馬克裝置，特例：金屬燃燒成流體狀態，磁鐵是無法吸引的，好比託卡馬克裝置，控溫需要超導技術，託卡馬克裝置需要懸浮升溫，溫度過高失去磁場，可以說誰也離不開誰。

“託卡馬克為什麼要用超導技術？”，簡單來說就是超導技術的運用使託卡馬克核聚變模式走向商業化成為可能。

託卡馬克

人類實現可控核聚變的方法主要包括三種，包括慣性約束核聚變、磁約束核聚變以及超聲波核聚變，目前來看成功率最高的要數磁約束核聚變，而託卡馬克就是透過磁約束來進行核聚變的裝置。

要想點燃核聚變反應，需要將聚變材料氘和氚加熱到上億攝氏度，要實現這種加熱效果，需要多種加熱方法綜合運用，包括歐姆加熱法、中性粒子束注入法以及射頻波加熱法等，被加熱到上億攝氏度的粒子將處於等離子態，其原子核也將具有極高的動能，使其有機會打破原子核之間的斥力效果從而發生核融合反應，並釋放出能量。但這也面臨另一個難題，那就是沒有任何一種實體材料可以作為這種高溫等離子體的反應容器，於是託卡馬克應運而生。

託卡馬克最早由蘇聯人與20世紀五十年代發明，本質上來說它就是一個環形的等離子體容器，而這個容器的材質是磁場。在結構上託卡馬克主要由環向磁場、極向磁場和定位線圈組成，這些組成結構其實在它的名字中已經體現出來了，託卡馬克（ Tokamak）=環形(toroidal)+真空室(kamera)+磁(magnit)+線圈(kotushka)。

託卡馬克為什麼要用超導技術

從上文中我可以知道，磁體是託卡馬克裝置的主體結構，雖然利用託卡馬克可是實現核聚變的人工控制，但是卻難以產生經濟價值，這主要和“勞森判據”有關，勞森判據其實是指維持核聚變反應中能量平衡的條件，只有當核聚變裝置的輸出能量大於輸入能量時，核聚變才有價值進行第二次迴圈執行並釋放能量。在整個核聚變系統中，包裹等離子體的高強度磁場其實是最大的耗能戶，曾有科學家估算認為，一個兩千兆瓦的聚變反應堆，其所需要的磁體直徑可達20米，而聚變所產生的電能也僅僅可以維持磁體系統的消耗，根本不具有多餘的電能產出。

為了解決這個問題，就要想辦法擴大聚變裝置以及降低磁體的能量消耗，這顯然是普通磁體無法實現的，因為由於導線電阻的存在，普通的電磁鐵在產生高強度磁場時需要面臨大量的電流損耗，而超導技術的運用則有望解決這一難題。處於超導狀態的導體將具有“零電阻效應”，由於電阻的消失，電流可以在導體中無損耗的傳輸，從而避免電流的熱效應產生，也使高強度磁場的製造變得更為簡單。超導技術的運用是託卡馬克裝置走向商業化的重大突破。

（上圖 超導體中的邁斯納效應）

託卡馬克中的超導技術

雖然超導技術的運用對託卡馬克裝置極為有利，但是要想使導線處於超導狀態並不容易，首先來說，超導效應需要極低的溫度才可以實現，另一方面，託卡馬克裝置需要的超導裝置非常龐大，而且需要的磁場強度也非常強，整個磁體裝置的受力情況也非常複雜，因此在實際運用過程中就要考慮到超導磁體的冷卻、絕緣、應力保護、穩定性等多種問題，在考慮多種因素後，科學家決定為超導磁體穿上“鎧甲”，既“鎧裝式電纜導體（CICC）”，它是用多根低溫超導複合股線鉸接在一起，經過擠壓成型後封裝在不鏽鋼導管中。這也是目前主流的低溫超導磁體方案，包括中國的EAST、南韓的KSTAR和國際熱核聚變實驗堆的超導磁體都採用了CICC方案。但是CICC也有一些不足之處，比如穩定性與經濟性等，因此高溫超導託卡馬克磁體設計也逐漸被科學家所關注。

總結

託卡馬克透過磁場將等離子體約束起來，而強磁場的產生比如離不開強電流，在傳統磁體中，由於導線電阻的存在，在獲得強磁場的同時必然會面臨電流的損耗，從而導致整個核聚變反應的輸入能量大於輸出能量，這樣的核聚變反應也就失去了商業價值。超導技術的運用有望解決這個問題，由於超導狀態的導體將具有“零電阻效應”，這使得整個磁場裝置在獲取強磁場的同時也避免了電流的熱損耗，使託卡馬克裝置走向商業化成為可能。