2021 年 9 月 5 日黎明前，工程師們在麻省理工學院等離子體科學與聚變中心 (PSFC) 的實驗室實現(xiàn)了一個重要里程碑，一種由高溫超導材料制成的新型磁體打破了世界紀錄大型磁鐵的磁場強度為 20 特斯拉。這是建造一座聚變發(fā)電廠所需的強度，預計該發(fā)電廠將產(chǎn)生凈電力輸出，并有可能迎來一個幾乎無限電力生產(chǎn)的時代。

該測試立即被宣布成功，滿足了為新型聚變裝置(稱為 SPARC)設計制定的所有標準，磁體是該聚變裝置的關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)。疲憊不堪的實驗團隊為實現(xiàn)這一成就付出了長期艱苦的努力，香檳瓶塞突然破裂，慶祝了他們的成就。

但這還遠未結(jié)束。在接下來的幾個月里，該團隊拆解并檢查了磁體的組件，仔細研究并分析了數(shù)百臺記錄測試細節(jié)的儀器的數(shù)據(jù)，并對同一個磁體進行了兩次額外的測試，最終將其推向了最佳狀態(tài)。斷點，以便了解任何可能的故障模式的詳細信息。

所有這些工作現(xiàn)已在 PSFC 和麻省理工學院衍生公司 Commonwealth Fusion Systems (CFS) 的研究人員撰寫的一份詳細報告中達到高潮，該報告以六篇同行評審論文的形式發(fā)表 在IEEE 應用超導學報三月號特刊上 。這些論文共同描述了磁體的設計和制造以及評估其性能所需的診斷設備，以及從該過程中吸取的經(jīng)驗教訓?？傮w而言，該團隊發(fā)現(xiàn)，預測和計算機建模是準確的，驗證了磁鐵獨特的設計元素可以作為聚變發(fā)電廠的基礎。

實現(xiàn)實用的聚變動力

最近辭去 PSFC 主任職務的日立美國工程教授丹尼斯·懷特 (Dennis Whyte) 表示，磁鐵的成功測試“在我看來是過去 30 年聚變研究中最重要的事情”。

在 9 月 5 日的演示之前，最好的超導磁體的威力足以實現(xiàn)聚變能，但其尺寸和成本永遠無法實用或經(jīng)濟上可行。然后，當測試證明這種強磁體在尺寸大大減小的情況下的實用性時，“一夜之間，它基本上將聚變反應堆的每瓦成本在一天之內(nèi)改變了近 40 倍，”懷特說。

“現(xiàn)在融合有機會了，”懷特補充道。托卡馬克是實驗聚變裝置中使用最廣泛的設計，“在我看來，它有機會變得經(jīng)濟，因為你的能力發(fā)生了量子變化，根據(jù)已知的約束物理規(guī)則，能夠大大減少使聚變成為可能的物體的尺寸和成本。”

PSFC 磁體測試的綜合數(shù)據(jù)和分析(如六篇新論文中詳述)表明，新一代聚變裝置的計劃——由麻省理工學院和 CFS 設計的裝置，以及其他商業(yè)聚變公司的類似設計——都建立在堅實的科學基礎之上。

超導的突破

聚變是將輕原子結(jié)合成較重原子的過程，為太陽和恒星提供動力，但事實證明，在地球上利用這一過程是一項艱巨的挑戰(zhàn)，需要數(shù)十年的辛勤工作，并在實驗設備上花費數(shù)十億美元。人們長期以來尋求但尚未實現(xiàn)的目標是建造一座產(chǎn)生的能量多于消耗的核聚變發(fā)電廠。這樣的發(fā)電廠在運行過程中可以發(fā)電而不排放溫室氣體，并且產(chǎn)生很少的放射性廢物。聚變的燃料是一種可以從海水中提取的氫，幾乎是無限的。

但要使其發(fā)揮作用，需要在極高的溫度和壓力下壓縮燃料，并且由于沒有已知的材料可以承受這樣的溫度，因此燃料必須通過極其強大的磁場固定到位。產(chǎn)生如此強的磁場需要超導磁體，但以前所有的聚變磁體都是用超導材料制成的，需要高于絕對零(4開爾文，或-270攝氏度)約4度的寒冷溫度。在過去的幾年中，一種名為 REBCO(稀土氧化銅鋇)的新材料被添加到聚變磁體中，使它們能夠在 20 開爾文的溫度下工作，盡管該溫度僅高出 16 開爾文，但在性能方面帶來了顯著的優(yōu)勢。材料特性和實際工程。

利用這種新型高溫超導材料不僅僅是在現(xiàn)有磁體設計中替代它的問題。相反，“這是對幾乎所有用于構(gòu)建超導磁體的原理的重新設計，”懷特說。新的 REBCO 材料“與上一代超導體截然不同。你不僅要適應和取代，實際上還要從頭開始創(chuàng)新。” 《應用超導性匯刊》中的新論文 描述了專利保護到位后重新設計過程的細節(jié)。

關(guān)鍵創(chuàng)新：無隔熱層

其中一項引人注目的創(chuàng)新是消除了形成磁體的薄而扁平的超導帶周圍的絕緣層，該創(chuàng)新讓該領(lǐng)域的許多其他人對其成功機會表示懷疑。與幾乎所有電線一樣，傳統(tǒng)的超導磁體受到絕緣材料的充分保護，以防止電線之間發(fā)生短路。但在新的磁鐵中，膠帶完全裸露;工程師依靠 REBCO 更高的導電率來保持電流流過材料。

“當我們開始這個項目時，比如說 2018 年，使用高溫超導體制造大型高場磁體的技術(shù)還處于起步階段，”該系的羅伯特·諾伊斯職業(yè)發(fā)展教授扎克·哈特維格 (Zach Hartwig) 說核科學與工程系。Hartwig 在 PSFC 擔任聯(lián)合任命，并擔任其工程小組的負責人，該小組領(lǐng)導了磁體開發(fā)項目。“最先進的技術(shù)是小型臺式實驗，并不能真正代表建造全尺寸物體所需的條件。我們的磁體開發(fā)項目從臺式規(guī)模開始，并在很短的時間內(nèi)完成了全面規(guī)模的開發(fā)，”他補充道，并指出該團隊制造了一塊 20,000 磅重的磁體，它產(chǎn)生了剛剛超過 20 特斯拉的穩(wěn)定、均勻的磁場 - 遠超過了任何此類領(lǐng)域曾經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)的。

“制造這些磁鐵的標準方法是纏繞導體，并且繞組之間有絕緣層，并且需要絕緣層來處理非正常事件(例如停機)期間產(chǎn)生的高電壓。” 他說，消除絕緣層“具有低壓系統(tǒng)的優(yōu)勢。它極大地簡化了制造流程和時間表。” 它還為其他元素留下了更多空間，例如更多的冷卻或更多的強度結(jié)構(gòu)。

該磁體組件是馬薩諸塞州德文斯市 CFS 正在建造的 SPARC 聚變裝置圓環(huán)形室的磁體組件的一個稍小的版本。它由 16 個稱為薄餅的板組成，每塊板的一側(cè)都有螺旋纏繞的超導帶，另一側(cè)有氦氣冷卻通道。

但無絕緣設計被認為存在風險，并且很大程度上依賴于測試計劃。哈特維格說：“這是第一塊足夠規(guī)模的磁鐵，真正探討了使用這種所謂的無絕緣無扭轉(zhuǎn)技術(shù)設計、制造和測試磁鐵所涉及的內(nèi)容。” “當我們宣布這是一個無絕緣線圈時，社區(qū)感到非常驚訝。”

挑戰(zhàn)極限……甚至超越

之前論文中描述的初步測試證明，設計和制造過程不僅有效，而且高度穩(wěn)定——一些研究人員對此表示懷疑。接下來的兩次測試運行也于 2021 年末進行，然后故意創(chuàng)造不穩(wěn)定的條件(包括完全切斷輸入電源，從而導致災難性的過熱)，將設備推向極限。這被稱為淬火，被認為是此類磁鐵運行的最壞情況，有可能損壞設備。

哈特維格說，測試計劃的部分任務是“實際啟動并有意淬滅全尺寸磁鐵，以便我們能夠在正確的尺度和正確的條件下獲得關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以推進科學發(fā)展，驗證設計代碼，然后將磁鐵拆開，看看出了什么問題，為什么會出錯，以及我們?nèi)绾芜M行下一次迭代來解決這個問題。……這是一次非常成功的測試。”

哈特維格說，最終測試以 16 個煎餅中的一個煎餅的一個角融化而結(jié)束，產(chǎn)生了大量新信息。一方面，他們一直在使用幾種不同的計算模型來設計和預測磁體性能各個方面的性能，并且在大多數(shù)情況下，這些模型在總體預測上是一致的，并且通過一系列測試和測試得到了很好的驗證。真實世界的測量。但在預測淬火效果時，模型預測出現(xiàn)了偏差，因此需要獲得實驗數(shù)據(jù)來評估模型的有效性。

他說：“我們幾乎準確地預測了磁體將如何升溫、開始失超時會升溫到什么程度以及對磁體造成的損害的最高保真度模型。” 正如其中一份新報告中詳細描述的那樣，“該測試實際上準確地告訴了我們正在發(fā)生的物理現(xiàn)象，它告訴我們哪些模型對未來有用，哪些模型因為不正確而被擱置。”

懷特說：“基本上，在測試了線圈性能的所有其他方面之后，我們故意對線圈做了最糟糕的事情。我們發(fā)現(xiàn)大部分線圈都幸存下來，沒有損壞，”而一個孤立的區(qū)域則出現(xiàn)了一些熔化。“就像線圈體積的百分之幾被損壞一樣。” 這導致了設計的修改，預計即使在最極端的條件下，也能防止實際聚變裝置磁體出現(xiàn)此類損壞。

Hartwig 強調(diào)，該團隊能夠完成如此激進的創(chuàng)紀錄磁體設計，并在一次緊張的時間內(nèi)完成任務，主要原因是積累了深厚的知識、專業(yè)知識和設備。 Alcator C-Mod 托卡馬克裝置、弗朗西斯苦磁實驗室以及 PSFC 進行的其他工作已有數(shù)十年的運行經(jīng)驗。“這涉及到像這樣的地方的機構(gòu)能力的核心，”他說。“我們有能力、基礎設施、空間和人員在同一屋檐下完成這些事情。”

他說，與 CFS 的合作也很關(guān)鍵，麻省理工學院和 CFS 將學術(shù)機構(gòu)和私營公司最強大的方面結(jié)合起來，共同完成任何一方都無法單獨完成的事情。“例如，CFS 的主要貢獻之一是利用一家私營公司的力量，以前所未有的水平和時間表建立和擴大項目中最關(guān)鍵材料的供應鏈：300 公里(186 英里)的高空-溫度超導體，在不到一年的時間內(nèi)通過嚴格的質(zhì)量控制采購，并按計劃集成到磁體中。”