基于麻省理工学院的磁铁为商业聚变发电提供了可行的途径

Commonwealth Fusion Systems (CFS) 和麻省理工学院的等离子体科学与聚变中心 (PSFC) 披露了对磁场强度为 20 特斯拉的高温超导 (HTS) 磁体的成功测试。麻省理工学院的研究人员和初创公司 Commonwealth Fusion Systems (CFS) 在一次会议上表示，这是地球上产生的同类磁场中最强的磁场，为建造第一座聚变发电厂开辟了道路。

创造融合所需条件的最重大挑战之一是磁铁。使用 MIT-CFS 合作开发的磁体技术来构建和限制产生比消耗更多能量的等离子体是可行的。

“麻省理工学院和 CFS 之间这种独特的伙伴关系和合作使我们能够灵活快速地设计、构建和测试这种磁铁，我们能够利用每个组织的优势并在此基础上建立一个团队，将这项技术应用于气候危机要求的快速时间表，”麻省理工学院等离子体科学与聚变中心主任丹尼斯怀特在新闻发布会上说。

不可否认，聚变的障碍是技术和科学，但如果得到证明，这项技术可能会成为一种无碳、无限的能源，可以在全球传播。MIT-CFS 团队的演示是向回答有关 SPARC 项目可行性的最紧迫问题迈出的重要一步。SPARC 旨在获得至少为 2 的 Q 因子，这意味着产生的聚变能量是维持反应“泵入”的能量数量的两倍。演示设备 SPARC 计划于 2025 年完成。

“所以，这里的目标基本上是一个小型高中体育馆大小的发电厂，它产生的电力与零碳的燃煤电厂一样多。燃料是氢，它来自水，我们有取之不尽的供应。所以它是零碳，它是取之不尽的廉价燃料供应，它产生的电力与燃煤发电厂的发电量一样多，”麻省理工学院研究部副总裁 Maria Zuper 在新闻发布会上说。  

聚变能

聚变是为太阳提供动力的过程，从两个小原子形成一个更大的原子，释放出大量需要高温的能量。要在地球上捕获太阳的能量来源，您需要一种方法来获取它，通过将非常热的东西（例如 100,000,000 度或更高）绝缘，并防止它与任何固体接触并冷却下来。

磁场保留了质子和电子（等离子体）的集合，从而形成了一种看不见的斗篷。磁场对带电荷的粒子施加显着的控制。被称为托卡马克的甜甜圈形结构是最流行的容纳它们的设计。世界各地已经创建并成功运行了 150 多个托卡马克，每个都通过接近融合点来展示其功能。研究人员指出，虽然这些设备中的大多数使用铜电磁铁来产生磁场，但在法国开发的最新和最大版本的 ITER 使用所谓的低温超导体。

据研究人员称，MIT-CFS 核聚变工作的主要创新之处在于使用了高温超导体，它可以产生相当强的磁场，从而产生更小的托卡马克。这个概念是由一种扁平带状的新型超导材料（稀土钡铜氧化物，也称为 ReBCO）实现的，这种材料在几年前开始商业化。使用新型高温超导磁体可以应用从托卡马克实验操作中获得的数十年的实验知识。 

图 1：磁铁项目（来源：麻省理工学院）

磁铁项目

据研究人员称，开发这种磁铁需要经过三年严格的设计、供应链开发和生产工艺开发。他们使用物理模型和 CAD 设计完成了许多开发和原型设计。

据研究人员称，这种新磁铁通过一系列步骤逐渐充电，直到达到 20 特斯拉的磁场，这是“高温超导聚变磁铁所能达到的最大磁场强度”。磁铁由 16 块板组成，这些板相互叠放。研究人员还提到，为了产生强磁场，材料必须包含在坚固的金属结构中以保持力。

“所以，把它放在上下文中，这种磁铁的规模和性能类似于麻省理工学院实验中使用的非超导体磁铁，Alcator C-Mod，这是五年前结束的。耗电量上的差异相当惊人：因为是普通的铜质导电磁铁，所以产生围压磁场需要消耗大约2亿瓦的能量。这个新磁铁大约有30瓦。因此，提供限制磁场所需的能量减少了大约 1000 万倍。这很明显，为什么现在使用高场超导设备会产生来自聚变的净能量——我们不必使用如此多的能量来提供限制磁场，”丹尼斯·怀特说。

图 2：研究人员在实验期间工作（来源：麻省理工学院）

在麻省理工学院等离子体科学与聚变中心进行的关键测试表明，按比例构建的磁铁可以维持超过 20 特斯拉的磁场，这是 CFS 的小型托卡马克装置（称为 SPARC）所需要的。展示来自聚变的净能量。

该测试主要涉及将磁铁置于超导温度，并且可以在不消耗大量能量的情况下产生磁场。就其产生的场强大小而言，其性能足以构建 SPARC 并展示所有关键指标：磁铁在 20 特斯拉下保持足够长的时间将磁铁置于本质上是稳定状态，正如研究人员所定义的那样，这意味着，从磁铁的角度来看，就注入磁铁的电流和温度而言，它是完全平衡的。  

麻省理工学院的研究人员强调，下一步将是在磁铁运行成功的基础上构建 SPARC。显然，仍然存在许多挑战（尤其是经济挑战），但道路似乎在走下坡路。  

审核编辑 黄昊宇