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麻省理工学院设计的项目在聚变能源方面取得重大进展
新的超导磁体打破了磁场强度记录，为实用、商业、无碳动力铺平了道路。
这是一个在密集研究和设计工作基础上酝酿了三年的时刻。9月5日，一个大型高温超导电磁铁首次被提升到20特斯拉的磁场强度，这是地球上有史以来同类产品中最强大的磁场。据麻省理工学院和创业公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）的项目负责人称，这一成功的演示有助于解决在寻求建立世界上第一个核聚变电站的过程中最大的不确定性，该核聚变电站能够产生比其消耗更多的能量。
他们说，这一进展为长期以来寻求的创建实用、廉价、无碳的发电厂铺平了道路，可以为限制全球气候变化的影响做出重大贡献。
麻省理工学院负责研究的副校长、地球物理学E.A.Griswold教授Maria Zuber说："聚变在很多方面都是最终的清洁能源"。"可获得的能量确实改变了游戏规则"。用于创造聚变能源的燃料来自于水，而 "地球上充满了水--它是一种几乎无限的资源。我们只是要找出如何利用它。"
开发新的磁铁被视为实现这一目标的最大技术障碍；它的成功运行现在打开了在地球上的实验室中演示核聚变的大门，几十年来一直在追求这一目标，但进展有限。随着磁铁技术现在的成功演示，麻省理工学院与CFS的合作正朝着建造世界上第一个核聚变装置的方向发展，该装置能够创造和限制产生比其消耗更多能量的等离子体。该示范装置被称为SPARC，目标是在2025年完成。
"麻省理工学院等离子体科学和聚变中心主任Dennis Whyte说："实现聚变的挑战既是技术上的，也是科学上的。但他说，一旦该技术得到证实，"它是一种取之不尽、用之不竭的无碳能源，你可以在任何地方和任何时间进行部署。这确实是一种根本性的新能源"。
作为日立美国工程教授的Whyte说，本周的演示是一个重要的里程碑，解决了关于SPARC设计可行性的最大问题。"他说："我相信，这确实是聚变科学和技术的一个分水岭时刻。
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瓶中的太阳
聚变是为太阳提供动力的过程：两个小原子合并成一个大原子，释放出巨大的能量。但是这个过程需要的温度远远超过任何固体材料所能承受的。为了在地球上捕获太阳的动力源，我们需要一种方法来捕获和容纳那么热的东西--100,000,000度或更高的温度--通过让它悬浮起来，防止它与任何固体接触。
这是通过强烈的磁场来实现的，它形成了一种无形的瓶子来容纳质子和电子的热漩涡汤，称为等离子体。由于这些粒子带有电荷，它们受到磁场的强烈控制，而最广泛使用的容纳它们的配置是一个叫做托卡马克的甜甜圈形状的装置。这些装置中的大多数都是使用铜制的传统电磁铁来产生其磁场的，但是正在法国建造的最新和最大的版本，称为ITER，使用的是所谓的低温超导体。
麻省理工学院-CFS核聚变设计的主要创新是使用高温超导体，它能在更小的空间内产生更强的磁场。这种设计是由一种几年前开始商业化的新型超导材料实现的。这个想法最初是作为怀特教授的核工程课的一个课堂项目产生的。这个想法似乎很有前途，以至于在接下来的几堂课中继续发展，导致2015年初ARC发电厂的设计概念。SPARC的设计规模约为ARC的一半，是在建造全尺寸发电站之前证明这一概念的试验台。
到目前为止，要实现创造一个能够容纳加热到数亿度的等离子体的磁性 "瓶子 "所需的巨大的强大磁场，唯一的办法是使它们越来越大。但是新的高温超导体材料，以扁平的带状形式制成，使得在一个较小的设备中实现更高的磁场成为可能，相当于在一个使用传统低温超导磁体的体积大40倍的设备中所实现的性能。这种功率与尺寸的飞跃是ARC革命性设计中的关键因素。
使用新的高温超导磁体使得应用几十年来从托卡马克实验（包括麻省理工学院自己的Alcator系列）运行中获得的实验知识成为可能。由麻省理工学院首席研究员、核科学与工程系Robert N. Noyce职业发展助理教授扎克-哈特维格领导的新方法采用了众所周知的设计，但由于磁场较高，一切都缩减到大约一半的线性尺寸，并且仍然实现了同样的运行条件。
去年发表的一系列科学论文概述了物理基础，并通过模拟证实了新聚变装置的可行性。这些论文显示，如果磁体按预期工作，整个核聚变系统确实应该产生净功率输出，这在几十年的核聚变研究中尚属首次。
PSFC的副主任和高级研究科学家Martin Greenwald说，与其他一些核聚变实验的设计不同，"我们所填补的空白是使用传统的等离子体物理学，以及传统的托卡马克设计和工程，但将这种新的磁体技术引入其中。因此，我们并不要求在半打不同的领域进行创新。我们将只是在磁体上进行创新，然后应用过去几十年来所学到的知识基础。"
这种科学上既定的设计原则和改变游戏规则的磁场强度的结合，使我们有可能实现一个在经济上可行的工厂，并在快速轨道上发展。"这是一个重要的时刻，"CFS的首席执行官Bob Mumgaard说。"我们现在有一个平台，既在科学上非常先进，因为对这些机器进行了几十年的研究，也在商业上非常有趣。它的作用是使我们能够以更快、更小、更低的成本制造设备，"他谈到成功的磁铁演示时说。
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概念的证明
将这种新的磁体概念变为现实需要在设计方面进行三年的密集工作，建立供应链，并为最终可能需要成千上万的磁体制定制造方法。
"我们建造了一个独一无二的超导磁体。它需要大量的工作来创建独特的制造工艺和设备。因此，我们现在已经为SPARC的生产做好了充分准备，"CFS的运营主管Joy Dunn说。"我们从一个物理模型和CAD设计开始，通过大量的开发和原型工作，将纸上的设计变成实际的物理磁铁。这需要建立制造能力和测试设施，包括与多个超导磁带供应商的迭代过程，以帮助他们达到生产符合所需规格的材料的能力--而中粮现在绝大多数是世界上最大的用户。
她说，他们同时进行了两种可能的磁体设计，这两种设计最终都达到了设计要求。"真正的问题是，哪一个将彻底改变我们制造超导磁体的方式，以及哪一个更容易建造。她说，他们采用的设计在这方面显然是突出的。
在这次测试中，新磁体在一系列步骤中逐渐加电，直到达到20特斯拉磁场的目标--这是高温超导核聚变磁体的最高场强。该磁铁由16块板子叠在一起组成，每一块板子本身都将是世界上最强大的高温超导磁铁。
"三年前我们宣布了一个计划，"穆姆加德说，"建造一个20特斯拉的磁铁，这是我们未来核聚变机器所需要的。" 他说，这个目标现在已经实现了，就在计划中，即使有大流行病。
引用去年发表的一系列物理学论文，CFS的首席科学官Brandon Sorbom说，"基本上这些论文的结论是，如果我们建造磁铁，所有的物理学都会在SPARC中工作。因此，这次演示回答了这个问题。他们能建造磁铁吗？这是一个非常激动人心的时刻! 这是一个巨大的里程碑"。
下一步将是建造SPARC，一个计划中的ARC发电厂的较小规模版本。SPARC的成功运行将证明一个全面的商业核聚变电站是实用的，为快速设计和建造该先驱性设备扫清道路，然后可以全速进行。
Zuber说："我现在真正感到乐观的是，基于磁体的表现，SPARC可以实现净正能量。下一步是扩大规模，建立一个实际的发电厂。前面仍有许多挑战，其中最重要的是开发一种允许可靠、持续运行的设计。意识到这里的目标是商业化，另一个主要挑战将是经济。你如何设计这些发电厂，使其在建造和部署时具有成本效益？"
在希望的未来的某一天，当世界各地可能有数以千计的核聚变电站为清洁电网供电时，Zuber说："我认为我们将回顾并思考我们是如何到达那里的，我认为磁体技术的演示，对我来说，是我相信，哇，我们真的可以做到这一点的时候。"
祖贝尔指出，成功创建一个发电的核聚变装置将是一个巨大的科学成就。但这并不是重点。"在这一点上，我们没有人试图赢得奖杯。我们正在努力保持地球的宜居性"。
https://news.mit.edu/2021/MIT-CFS-major-advance-toward-fusion-energy-0908
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