对麻省理工学院和联邦聚变系统公司制造的磁体的详细研究证实它们可用于建设经济、稳健的聚变发电厂
2021年9月5日黎明前的几个小时，麻省理工学院（MIT）等离子体科学与聚变中心（PSFC）的实验室内，工程师们取得一项里程碑式突破：一种由高温超导材料制成的新型磁体产生强度高达20特斯拉的磁场。这是迄今为止大型磁体实现的最高磁场强度，是建造一座能产生净电力输出的聚变发电厂所需的强度，而这样的电厂将推动无限清洁电力时代到来。
这场测试即刻宣布其成功结果。它满足了为新型聚变装置（称作SPARC，磁体是装置的绝对核心）设计制定的所有标准。已然疲惫不堪的项目团队为实现此壮举开展了长久而艰苦的工作，当然，他们也欢庆了自己的成功。
不过工作远未结束。在后续几个月里，该团队拆解并检查磁体组件，仔细研究分析数百台记录测试细节的仪器的数据，并对同一磁体进行了两次额外测试——最终令其到达极限——以了解任何可能故障模式的详细信息。
上述所有工作现已被PSFC和MIT衍生企业联邦聚变系统（CFS）的研究团队写入一份详细报告。该报告以6篇同行评审论文形式发表于2024年《电气与电子工程师协会应用超导学报》（IEEE Transactions on Applied Superconductivity）的3月特刊上。这些论文介绍了磁体的设计、制造和评估其性能所需的诊断设备，以及从中吸取的经验教训。总体而言，项目团队发现预测和计算机建模是准确的，验证了磁体独特的设计元素可作为聚变发电厂的基础。
实现实用的聚变动力
最近辞去PSFC主任职务的核科学与工程学教授丹尼斯 · 怀特（Dennis Whyte）表示，磁体的成功测试“在我看来是过去30年聚变研究领域最重要的事情”。
在2021年9月5日的演示之前，最优异的超导磁体足以实现聚变能，但其尺寸和成本问题决定了它不具备实用性。而当新测试证明此种强磁体能在尺寸显著缩小情况下仍保有实用性后，“聚变反应堆的每瓦成本减小至约1/40”。
怀特认为：“现在，聚变能的机会来了。在我看来，托卡马克有机会变得经济实用，因为在已知物理规则的约束下，尺寸和成本的大幅减小使聚变能未来可期。”
正如6篇新论文所详述的，PSFC磁体测试的综合数据和分析表明，以MIT和CFS的设计为代表的新一代聚变装置都建立在坚实科学基础之上。
超导的突破
聚变是将轻原子核结合成相对更重原子核的过程，是太阳等恒星的能量之源，但在地球上利用此过程是无比艰巨的挑战，需要数十年辛勤工作和数十亿美元的实验设备投入。人们一直寻求但尚未实现的目标是建造一座产能多于耗能的核聚变发电厂?。这样的发电厂能在不排放温室气体的情况下为人类供电，且只产生极少放射性废物。聚变的燃料是一种可从海水处提取的氢，几乎取之不尽。
然而，要让聚变真正发挥作用，需极度高温和高压，而且由于尚无已知材料可承受如此温度，燃料必须用极强磁场固定到位，这当然就离不开超导磁体了。过往所有聚变磁体都用超导材料制成，它们需要极度低温条件——比绝对零度高大约4度，即4开尔文。过去几年间，一种名为稀土钡铜氧化物（REBCO）的新型材料被添加至聚变磁体中，使其能在20开尔文的温度下工作，虽然变化幅度不大，但也带来了材料性质和工程实用性层面的显著优势。
这种新型超导材料的应用不仅仅是简单的更新换代，用怀特的话说：“这是对用于构建超导磁体的几乎所有原理的彻底改造。新的REBCO材料与上一代超导体截然不同。你不仅要适应和取代，实际上还要从头开始创新。”《应用超导学报》的新论文描述了重新设计过程的细节。
关键创新：无绝缘层
其中一项引人注目的创新是消除了又细又扁的超导带（形成磁体）周围的绝缘层，这实际上引起业内许多人对其成功机会的怀疑。与几乎所有电线一样，传统超导磁体受到绝缘材料的充分保护，用以防止电线之间发生短路。但在项目团队设计的新磁体中，超导带完全裸露，工程师依靠REBCO更高的导电率来使电流流过材料。
MIT核科学与工程系副教授扎克 · 哈特维格（Zach Hartwig）表示：“当我们开始这个项目时，比方说在2018年，利用高温超导体制造大型强磁场磁体的技术还处于起步阶段。”哈特维格是PSFC的研究员，也担任其工程小组的负责人，该团队领导了磁体开发项目。“最先进的技术是小型台式实验，但它不能真正代表创建全尺寸设备所需的条件。我们的磁体开发项目从台式规模开始，并在很短的时间内完成了全规模开发。”他还指出，项目团队制造了一块重达9000公斤的磁体，它产生了场强刚好超过20特斯拉、稳定且均匀的磁场——远超此前生产的所有同类磁体。
哈特维格说道：“制造这些磁体的标准方法是缠绕导体，并在绕组间设置绝缘层，我们需要绝缘层来应对停机等非正常事件期间产生的高电压。而消除绝缘层具有低压系统的优势。它极大地简化了制造流程和工作计划，也为其他元素的设计，例如冷却或强度结构，留出了更大空间和可能性。”
前文提到，马萨诸塞州德文斯市CFS公司正建造新型聚变装置SPARC，而上述磁体组件可视作SPARC装置圆环形腔体的磁体组件的缩小版本。该磁体组件由16块薄板组成，每块板的一侧都有螺旋缠绕的超导带，另一侧则是氦气冷却通道。但无绝缘设计被认为存在风险，而且很大程度上依赖测试安排。
哈特维格说：“这是第一块足尺寸、全规模的磁体，真正探讨了使用这种所谓无绝缘无缠绕技术设计、制造和测试磁体所涉及的内容。当我们宣布这种无绝缘线圈时，圈内人士感到非常惊讶。”
挑战极限甚至超越
论文介绍的初步测试证明，设计和制造过程不仅行得通，而且高度稳定——有同行对此表示怀疑。接下来的两次测试运行也于2021年末开展，团队刻意创造不稳定的条件，包括完全切断输入电源以引起灾难性的过热，从而将设备推向极限。这是一种淬火处理，被认为是此类磁体运行中可能遭遇的最坏情况，足以损坏设备。
哈特维格表示：“测试计划的部分任务是实际启动并刻意淬灭全尺寸磁体，以便我们能在正确的规模和条件下获得关键数据，以推动这门科学发展。验证设计代码，然后拆解磁体，寻找问题，思考为什么出错，以及我们如何进行下一次迭代来解决问题……这是一次非常成功的测试。”
最终测试以16块薄板之一的一个角熔化问题而结束，也产出了大量新信息。一方面，团队一直使用几种不同的计算模型来设计和预测磁体各方面性能，而且大多数情况下，这些模型的预测总体上一致，并通过一系列测试和真实世界的测量。不过模型在预测淬火效果时出现了偏差，因此需要实验数据来评估其有效性。
哈特维格说道：“我们的高保真度模型几乎准确预测了磁体开始淬灭时会如何升温，升温至多少以及这对磁体造成的损害。正如其中一份报告所详述的，该测试实际上准确告诉了我们正在发生的物理现象，告诉我们哪些模型对未来有用，哪些模型不适用。”
怀特指出：“在测试了金属线圈的各方面性能后，我们又使其经受最残酷考验，结果大部分都得以幸存，并无损坏，但一个孤立区域出现了一些熔化（大概占线圈总体积的百分之几）。”此情况使得团队修改设计，旨在面对最极端条件，聚变装置的磁体也不会出现诸如熔化之类的损坏。
哈特维格强调，项目团队能做出如此激进、创纪录的磁体设计，能在紧凑的日程里完成任务，主要仰仗知识、技术和研究设备方面的深厚积累——阿尔卡特C-Mod托卡马克装置、弗朗西斯 · 比特磁体实验室以及PSFC的相关工作已开展数十年。
此外，学术机构MIT与私营企业CFS的合作也很关键，双方取长补短，发挥各自最大的优势，携手完成任何一方都难以独自完成的事情。
资料来源mit.edu
