测试表明高温超导磁体已准备好进行聚变

2021 年 9 月 5 日黎明前，工程师们在麻省理工学院等离子体科学与聚变中心 （PSFC） 的实验室中取得了一个重要的里程碑，当时一种由高温超导材料制成的新型磁体达到了 20 特斯拉的世界纪录磁场强度。这是建造核聚变发电厂所需的强度，该发电厂预计将产生净电力输出，并可能迎来一个几乎无限发电的时代。

该测试立即被宣布为成功，满足了为设计新的聚变装置（称为SPARC）而制定的所有标准，磁铁是其关键的使能技术。香槟软木塞爆裂开来，疲惫不堪的实验团队，他们长期努力使这一成就成为可能，庆祝他们的成就。

但这还远远没有结束。在随后的几个月里，该团队拆开并检查了磁铁的组件，仔细研究并分析了数百台记录测试细节的仪器的数据，并在同一块磁铁上进行了两次额外的测试运行，最终将其推向临界点，以了解任何可能的故障模式的细节。

所有这些工作现在都最终形成了PSFC和麻省理工学院衍生公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）的研究人员的详细报告，该报告发表在 IEEE Transactions on Applied Superconductivity三月刊的特刊中，收录了六篇同行评审论文。这些论文共同描述了磁体的设计和制造以及评估其性能所需的诊断设备，以及从该过程中吸取的经验教训。总体而言，研究小组发现，预测和计算机建模是正确的，验证了磁铁的独特设计元素可以作为聚变发电厂的基础。

实现实用的核聚变发电

最近卸任PSFC主任的日立美国工程学教授丹尼斯·怀特（Dennis Whyte）说，磁铁的成功测试是“在我看来，过去30年的聚变研究中最重要的事情”。

在 9 月 5 日的演示之前，最好的超导磁体足够强大，有可能实现聚变能——但前提是尺寸和成本永远不可能实用或经济上可行。然后，当测试显示这种强磁铁的实用性大大减小时，“一夜之间，它基本上在一天内将聚变反应堆的每瓦成本提高了近 40 倍，”怀特说。

“现在核聚变有机会，”怀特补充道。托卡马克是实验性聚变装置中使用最广泛的设计，“在我看来，它有机会变得经济，因为你的能力发生了量子变化，根据已知的约束物理规则，能够大大减少物体的尺寸和成本，使聚变成为可能。

正如六篇新论文中所详述的那样，来自PSFC磁体测试的综合数据和分析表明，新一代核聚变设备的计划 – 由麻省理工学院和CFS设计的设备，以及其他商业核聚变公司的类似设计 – 建立在坚实的科学基础上。

超导突破

聚变是将轻原子结合形成较重原子的过程，为太阳和恒星提供动力，但在地球上利用这一过程已被证明是一项艰巨的挑战，需要数十年的艰苦工作和数十亿美元的实验设备。长期以来寻求但从未实现的目标是建造一个核聚变发电厂，其产生的能量多于消耗的能量。这样的发电厂可以在运行过程中不排放温室气体发电，并且产生的放射性废物很少。聚变的燃料是一种可以从海水中提取的氢气，几乎是无限的。

但要使其工作，需要在极高的温度和压力下压缩燃料，并且由于没有已知的材料可以承受这样的温度，因此燃料必须通过极其强大的磁场固定到位。产生如此强的磁场需要超导磁体，但以前的所有聚变磁体都是用超导材料制成的，这种材料需要比绝对零度高约 4 度（4 开尔文或 -270 摄氏度）的低温。在过去的几年里，一种绰号为REBCO的新型材料，即稀土钡铜氧化物，被添加到聚变磁体中，并允许它们在20开尔文下工作，尽管这个温度只高出16开尔文，但在材料性能和实际工程方面带来了显着的优势。

利用这种新的高温超导材料不仅仅是在现有的磁体设计中替代它的问题。相反，“这是对用于构建超导磁体的几乎所有原理的重新设计，”怀特说。新的REBCO材料“与上一代超导体截然不同。你不仅要适应和替换，还要从头开始创新。 《应用超导学报》（Transactions on Applied Superconductivity ）上的新论文描述了重新设计过程的细节，现在专利保护已经到位。

关键创新：无绝缘

其中一项引人注目的创新，让该领域的许多其他人对其成功的机会持怀疑态度，是消除了形成磁铁的超导胶带薄而扁平的带状物周围的绝缘层。与几乎所有电线一样，传统的超导磁体由绝缘材料完全保护，以防止电线之间发生短路。但是在新的磁铁中，胶带完全裸露;工程师们依靠REBCO更高的导电性来保持电流流过材料。

“当我们开始这个项目时，比如说在2018年，使用高温超导体制造大规模高场磁体的技术还处于起步阶段，”核科学与工程系Robert N. Noyce职业发展教授Zach Hartwig说。Hartwig 是 PSFC 的共同任命，并且是其工程小组的负责人，该小组领导了磁铁开发项目。“最先进的技术是小型台式实验，并不能真正代表构建全尺寸的东西。我们的磁铁开发项目从台式规模开始，并在短时间内达到全尺寸，“他补充道，并指出该团队建造了一个 20,000 磅重的磁铁，产生了一个稳定、均匀的磁场，刚刚超过 20 特斯拉——远远超过任何此类磁场大规模生产。

“制造这些磁铁的标准方法是缠绕导体，绕组之间有绝缘层，并且需要绝缘层来处理在非正常事件（如关机）期间产生的高电压。”他说，消除绝缘层“具有作为低压系统的优点。它大大简化了制造过程和进度。它还为其他元素留出了更多空间，例如更多的冷却或更多的强度结构。

磁铁组件是那些将形成 SPARC 聚变装置的甜甜圈形腔室的略微缩小的版本，目前由 CFS 在马萨诸塞州德文斯建造。它由 16 块称为煎饼的板组成，每块板的一侧都带有超导胶带的螺旋缠绕，另一侧带有氦气的冷却通道。

但是，无绝缘设计被认为是有风险的，并且很多都依赖于测试程序。Hartwig说：“这是第一个足够规模的磁铁，它真正探测了使用这种所谓的无绝缘无扭曲技术设计、建造和测试磁铁所涉及的内容。“当我们宣布这是一个无绝缘线圈时，社区感到非常惊讶。”

推到极限……及以上

在之前的论文中描述的初步测试证明，设计和制造过程不仅有效，而且高度稳定 – 这是一些研究人员所怀疑的。接下来的两次测试运行也在 2021 年底进行，然后通过故意制造不稳定的条件将设备推向极限，包括完全关闭可能导致灾难性过热的输入电源。这被称为淬火，被认为是此类磁铁运行的最坏情况，有可能损坏设备。

Hartwig 说，测试计划的部分任务是“真正关闭并有意识地淬灭全尺寸磁铁，以便我们能够在正确的规模和正确的条件下获得关键数据，以推进科学发展，验证设计代码，然后拆开磁铁，看看出了什么问题， 为什么会出错，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测试。

哈特维格说，最后的测试以16个煎饼中的一个角融化而告终，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铁性能各个方面的性能，并且在大多数情况下，这些模型在总体预测中是一致的，并通过一系列测试和实际测量得到了很好的验证。但是在预测淬灭效应时，模型预测存在分歧，因此有必要获得实验数据来评估模型的有效性。

“我们预测的最高保真度模型几乎准确地预测了磁铁将如何预热，当它开始淬火时它会升温到什么程度，以及对磁铁造成的损坏会在哪里，”他说。正如其中一份新报告所详细描述的那样，“该测试实际上准确地告诉我们正在进行的物理现象，它告诉我们哪些模型是有用的，哪些模型是被搁置的，因为它们不正确。

Whyte 说：“基本上，在我们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糟糕的事情。我们发现大部分线圈幸存下来，没有损坏，“而一个孤立的区域则发生了一些熔化。“这就像线圈体积的百分之几被损坏了。”这导致了对设计的修改，即使在最极端的条件下，也有望防止实际聚变装置磁铁的这种损坏。

Hartwig 强调，该团队能够完成如此激进的创纪录新磁铁设计，并在第一次就以极快的速度完成它的主要原因，这要归功于 Alcator C-Mod 托卡马克、Francis Bitter 磁铁实验室数十年来积累的深厚知识、专业知识和设备。 以及在PSFC开展的其他工作。“这触及了这样一个地方的机构能力的核心，”他说。“我们有能力、基础设施、空间和人员在一个屋檐下做这些事情。”

他说，与CFS的合作也很关键，麻省理工学院和CFS结合了学术机构和私营公司最强大的方面，共同完成任何一方都无法单独完成的事情。“例如，CFS的主要贡献之一是利用一家私营公司的力量，以前所未有的水平和时间表建立和扩大供应链，以项目中最关键的材料：300公里（186英里）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。 并按计划集成到磁铁中。

他说，麻省理工学院和CFS的两个团队的整合对成功也至关重要。“我们把自己看作是一个团队，这使得我们所做的成为可能。”