麻省理工学院的核聚变技术突破可能开创一个拥有几乎无限能源的时代

在麻省理工学院的等离子体科学与聚变中心，新型磁体的磁场强度达到了创世界纪录的 20 特斯拉，为大型磁体之最。图片来源：Gretchen Ertl

这是建造核聚变发电厂所需的磁场强度，该发电厂有望产生净输出功率，并有可能开创一个几乎无限的发电时代。

试验立即宣布成功，达到了为设计新的核聚变装置（被称为 SPARC，磁铁是其关键的使能技术）而设定的所有标准。疲惫不堪的实验团队庆祝着他们的成就，他们为取得这一成就付出了漫长而艰辛的努力。

但这远远不是整个过程的终点。在随后的几个月里，团队拆开并检查了磁铁的各个部件，仔细研究并分析了数百台记录测试细节的仪器所提供的数据，并在同一块磁铁上进行了两次额外的测试，最终将其推到了极限，以了解任何可能的失效模式的细节。

一个小组将磁铁放入低温恒温器容器中。图片来源：Gretchen Ertl

PSFC 和麻省理工学院衍生公司 Commonwealth Fusion Systems (CFS) 的研究人员在所有这些工作的基础上撰写了一份详细的报告，该报告由六篇经过同行评审的论文组成，发表在《电气和电子工程师学会应用超导期刊》（IEEE Transactions on Applied Superconductivity）三月刊的特刊上。这些论文介绍了磁体的设计和制造、评估其性能所需的诊断设备，以及从这一过程中吸取的经验教训。研究小组发现，总的来说，预测和计算机建模是正确的，验证了磁体的独特设计元素可以作为聚变发电厂的基础。

实现实用聚变发电

最近刚刚卸任 PSFC 主任的日立美国公司工程学教授丹尼斯-怀特（Dennis Whyte）说，磁铁的成功测试"在我看来，是过去 30 年核聚变研究中最重要的事情"。

在9月5日的演示之前，现有最好的超导磁体的功率足以实现核聚变能量--但其尺寸和成本永远不可能实用或经济可行。然后，当测试表明如此强大的磁体在尺寸大大缩小的情况下仍具有实用性时，"一夜之间，聚变反应堆的每瓦成本在一天之内就降低了近 40 倍，"怀特说。

麻省理工学院等离子体科学与聚变中心内的测试装置。图片来源：Gretchen Ertl

怀特补充说："现在核聚变有了机会。托卡马克是目前使用最广泛的聚变实验装置设计，在我看来，托卡马克有机会实现经济性，因为在已知的约束物理规则下，你的能力发生了量变，能够极大地降低使聚变成为可能的物体的尺寸和成本。"

六篇新论文详细介绍了 PSFC 磁体测试的综合数据和分析，这些数据和分析表明，新一代核聚变装置（麻省理工学院和 CFS 设计的装置以及其他商业核聚变公司的类似设计）的计划建立在坚实的科学基础之上。

超导突破

核聚变是轻原子结合成重原子的过程，它为太阳和恒星提供能量，但在地球上利用这一过程已被证明是一项艰巨的挑战，几十年来，人们在实验装置上付出了艰辛的努力，花费了数十亿美元。人们长期追求但从未实现的目标是建造一座聚变发电站，其产生的能量大于消耗的能量。这样的发电厂在发电的同时不会排放温室气体，也不会产生大量放射性废料。核聚变的燃料是一种可以从海水中提取的氢，几乎是无限的。

研究磁铁的大型团队来自麻省理工学院的等离子体科学聚变中心和麻省理工学院的衍生公司 Commonwealth Fusion Systems。图片来源：Gretchen Ertl

但是，要使核聚变成功，就必须在极高的温度和压力下压缩燃料，而且由于没有任何已知材料能够承受这样的温度，燃料必须由极其强大的磁场来固定。产生如此强大的磁场需要超导磁体，但以前所有的核聚变磁体都是用超导材料制造的，这种材料需要绝对零度以上约 4 度（4 开尔文，即摄氏零下270 度）的低温。最近几年，一种被称为 REBCO（稀土钡铜氧化物）的新型材料被添加到核聚变磁体中，这种材料可以让核聚变磁体在 20 开尔文的温度下工作，尽管温度仅高出 16 开尔文，但在材料特性和实际工程方面却具有显著优势。

利用这种新型高温超导材料并不仅仅是在现有磁体设计中替换它。相反，"这是对几乎所有用于制造超导磁体的原理的重新设计"，Whyte 说。新型 REBCO 材料"与上一代超导体有很大不同。你需要的不仅仅是适应和替代，而是从头开始创新"。《Transactions on Applied Superconductivity》杂志上的新论文描述了这一重新设计过程的细节，现在专利保护已经到位。

关键创新：无隔热材料

其中一项引人注目的创新是取消了构成磁体的超导磁带扁平薄带周围的绝缘材料，这让该领域的许多其他人对其成功的可能性持怀疑态度。与几乎所有的电线一样，传统的超导磁体也完全由绝缘材料保护，以防止电线之间发生短路。但在新型磁体中，磁带完全裸露在外；工程师们依靠 REBCO 高得多的导电性来保持电流流过材料。

核科学与工程系罗伯特-N-诺伊斯（Robert N. Noyce）职业发展教授扎克-哈特维格（Zach Hartwig）说："当我们开始这个项目时，比方说在2018年，使用高温超导体制造大规模高磁场磁体的技术还处于起步阶段。哈特维格是 PSFC 的联合聘任教授，也是领导磁体开发项目的工程组组长。我们的磁体开发项目从台式实验开始。我们的磁体开发项目从台式实验开始，在很短的时间内就完成了全尺寸的实验。"他补充说，团队建造了一块重达2万磅的磁体，它能产生稳定、均匀的磁场，磁场强度刚刚超过20特斯拉，远远超过了任何大规模磁场。

"制造这些磁体的标准方法是将导体缠绕在绕组上，在绕组之间设置绝缘层，你需要绝缘层来处理非正常事件（如停机）时产生的高电压"。他说："去掉这层绝缘层的好处在于它是一个低压系统。它大大简化了制造工艺和进度"。这也为其他元素留出了更多的空间，例如更多的冷却或更多的强度结构。"

这种磁铁组件的尺寸略小，它将构成马萨诸塞州德文斯中心正在建造的 SPARC 核聚变装置的甜甜圈形腔体。它由 16 块被称为薄饼的板块组成，每块板块的一侧都缠绕着螺旋形的超导带，另一侧则是氦气冷却通道。

但是，无隔热设计被认为是有风险的，而且测试项目也有很大的风险。哈特维格说："这是第一块规模足够大的磁体，它真正探究了使用这种所谓的无隔热无扭转技术设计、制造和测试磁体所涉及的问题。当我们宣布这是一个无隔热线圈时，整个社会都感到非常惊讶"。

挑战极限......并超越极限

在之前的论文中描述的首次测试证明，该设计和制造工艺不仅可行，而且非常稳定，一些研究人员曾对此表示怀疑。接下来的两次测试也是在 2021 年底进行的，通过故意制造不稳定条件，包括完全关闭输入电源，将设备推向了极限，这可能会导致灾难性的过热。这种情况被称为"淬火"，被认为是此类磁体运行的最坏情况，有可能摧毁设备。

哈特维格说，试验计划的部分任务是"实际去故意淬火一个全尺寸的磁体，这样我们就能在合适的规模和合适的条件下获得关键数据，从而推动科学发展，验证设计代码，然后拆开磁体，看看哪里出了问题，为什么会出问题，以及我们如何进行下一次迭代来解决这个问题......这是一次非常成功的试验。

最后的测试以 16 块薄饼中一块薄饼的一角融化而告终，它产生了大量的新信息。首先，他们一直在使用几种不同的计算模型来设计和预测磁体各方面的性能，在大多数情况下，这些模型在总体预测上是一致的，并通过一系列测试和实际测量得到了很好的验证。但在预测淬火效果时，模型的预测结果出现了偏差，因此有必要获取实验数据来评估模型的有效性。

"我们所拥有的保真度最高的模型几乎准确地预测了磁体如何升温，开始淬火时升温到什么程度，以及由此对磁体造成的损害在哪里。正如其中一份新报告中详细描述的那样，该测试实际上准确地告诉了我们正在发生的物理现象，并告诉我们哪些模型对未来有用，哪些模型因为不正确而应该被抛弃。"Whyte 说："基本上，在测试了线圈性能的所有其他方面之后，我们故意对线圈做了最坏的处理。我们发现，线圈的大部分没有受到任何损坏。受损的面积只占线圈体积的百分之几。因此，我们对设计进行了修改，预计即使在最极端的条件下，也能防止实际核聚变装置磁体出现这种损坏。"

哈特维格强调说，团队之所以能够完成这样一项创纪录的全新磁体设计，并在第一时间以极快的速度完成，主要归功于阿尔卡特 C 型托卡马克、弗朗西斯-比特磁体实验室以及 PSFC 开展的其他工作数十年来积累的深厚知识、专业技能和设备。他说："这正是这样一个地方的机构能力的核心所在。"我们有能力、基础设施、空间和人员在同一个屋檐下完成这些工作。"

他说，与 CFS 的合作也很关键，麻省理工学院和 CFS 将学术机构和私营公司最强大的优势结合在一起，共同完成了各自无法完成的任务。"例如，CFS 的主要贡献之一是利用私营公司的力量，以前所未有的水平和时限为项目中最关键的材料建立和扩大供应链：300公里（186英里）长的高温超导体在不到一年的时间内通过严格的质量控制采购到手，并如期集成到磁体中"。

他说，麻省理工学院和中心两个团队的整合也是成功的关键。"我们将自己视为一个团队，这使我们有可能做到我们所做的一切"。

编译自:ScitechDaily