對麻省理工學院和聯邦聚變系統公司制造的高溫超導磁體進行的詳細研究證實，它們符合經濟、緊湊型聚變發電廠的要求。 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）的實驗室裏實作了一個重要的裏程碑，一種由高溫超導材料制成的新型磁鐵達到了創世界紀錄的磁場強度，即大型磁鐵的磁場強度達到 20 特斯拉。
在麻省理工學院的等離子體科學與聚變中心，新型磁體的磁場強度達到了創世界紀錄的 20 特斯拉，為大型磁體之最。圖片來源：Gretchen Ertl
這是建造核聚變發電廠所需的磁場強度，該發電廠有望產生凈輸出功率，並有可能開創一個幾乎無限的發電時代。
試驗立即宣布成功，達到了為設計新的核聚變裝置（被稱為 SPARC，磁鐵是其關鍵的使能技術）而設定的所有標準。疲憊不堪的實驗團隊慶祝著他們的成就，他們為取得這一成就付出了漫長而艱辛的努力。
但這遠遠不是整個過程的終點。在隨後的幾個月裏，團隊拆開並檢查了磁鐵的各個部件，仔細研究並分析了數百台記錄測試細節的儀器所提供的數據，並在同一塊磁鐵上進行了兩次額外的測試，最終將其推到了極限，以了解任何可能的失效模式的細節。
一個小組將磁鐵放入低溫恒溫器容器中。圖片來源：Gretchen Ertl
PSFC 和麻省理工學院衍生公司 Commonwealth Fusion Systems (CFS) 的研究人員在所有這些工作的基礎上撰寫了一份詳細的報告，該報告由六篇經過同行評審的論文組成，發表在【電氣和電子工程師學會套用超導期刊】（IEEE Transactions on Applied Superconductivity）三月刊的特刊上。這些論文介紹了磁體的設計和制造、評估其效能所需的診斷器材，以及從這一過程中吸取的經驗教訓。研究小組發現，總的來說，預測和電腦建模是正確的，驗證了磁體的獨特設計元素可以作為聚變發電廠的基礎。
實作實用聚變發電
最近剛剛卸任 PSFC 主任的日立美國公司工程學教授丹尼斯-懷特（Dennis Whyte）說，磁鐵的成功測試"在我看來，是過去 30 年核聚變研究中最重要的事情"。
在9月5日的演示之前，現有最好的超導磁體的功率足以實作核聚變能量--但其尺寸和成本永遠不可能實用或經濟可行。然後，當測試表明如此強大的磁體在尺寸大大縮小的情況下仍具有實用性時，"一夜之間，聚變反應堆的每瓦成本在一天之內就降低了近 40 倍，"懷特說。
麻省理工學院等離子體科學與聚變中心內的測試裝置。圖片來源：Gretchen Ertl
懷特補充說："現在核聚變有了機會。托卡馬克是目前使用最廣泛的聚變實驗裝置設計，在我看來，托卡馬克有機會實作經濟性，因為在已知的約束物理規則下，你的能力發生了量變，能夠極大地降低使聚變成為可能的物體的尺寸和成本。"
六篇新論文詳細介紹了 PSFC 磁體測試的綜合數據和分析，這些數據和分析表明，新一代核聚變裝置（麻省理工學院和 CFS 設計的裝置以及其他商業核聚變公司的類似設計）的計劃建立在堅實的科學基礎之上。
超導突破
核聚變是輕原子結合成重原子的過程，它為太陽和恒星提供能量，但在地球上利用這一過程已被證明是一項艱巨的挑戰，幾十年來，人們在實驗裝置上付出了艱辛的努力，花費了數十億美元。人們長期追求但從未實作的目標是建造一座聚變發電站，其產生的能量大於消耗的能量。這樣的發電廠在發電的同時不會排放溫室氣體，也不會產生大量放射性廢料。核聚變的燃料是一種可以從海水中提取的氫，幾乎是無限的。
研究磁鐵的大型團隊來自麻省理工學院的等離子體科學聚變中心和麻省理工學院的衍生公司 Commonwealth Fusion Systems。圖片來源：Gretchen Ertl
但是，要使核聚變成功，就必須在極高的溫度和壓力下壓縮燃料，而且由於沒有任何已知材料能夠承受這樣的溫度，燃料必須由極其強大的磁場來固定。產生如此強大的磁場需要超導磁體，但以前所有的核聚變磁體都是用超導材料制造的，這種材料需要絕對零度以上約 4 度（4 克耳文，即攝氏零下270 度）的低溫。最近幾年，一種被稱為 REBCO（稀土鋇銅氧化物）的新型材料被添加到核聚變磁體中，這種材料可以讓核聚變磁體在 20 克耳文的溫度下工作，盡管溫度僅高出 16 克耳文，但在材料特性和實際工程方面卻具有顯著優勢。
利用這種新型高溫超導材料並不僅僅是在現有磁體設計中替換它。相反，"這是對幾乎所有用於制造超導磁體的原理的重新設計"，Whyte 說。新型 REBCO 材料"與上一代超導體有很大不同。你需要的不僅僅是適應和替代，而是從頭開始創新"。【Transactions on Applied Superconductivity】雜誌上的新論文描述了這一重新設計過程的細節，現在專利保護已經到位。
關鍵創新：無隔熱材料
其中一項引人註目的創新是取消了構成磁體的超導磁帶扁平薄帶周圍的絕緣材料，這讓該領域的許多其他人對其成功的可能性持懷疑態度。與幾乎所有的電線一樣，傳統的超導磁體也完全由絕緣材料保護，以防止電線之間發生短路。但在新型磁體中，磁帶完全裸露在外；工程師們依靠 REBCO 高得多的導電性來保持電流流過材料。
核科學與工程系羅拔-N-諾伊斯（Robert N. Noyce）職業發展教授錫克-哈特維格（Zach Hartwig）說："當我們開始這個專案時，比方說在2018年，使用高溫超導體制造大規模高磁場磁體的技術還處於起步階段。哈特維格是 PSFC 的聯合聘任教授，也是領導磁體開發專案的工程組組長。我們的磁體開發專案從台式實驗開始。我們的磁體開發專案從台式實驗開始，在很短的時間內就完成了全尺寸的實驗。"他補充說，團隊建造了一塊重達2萬磅的磁體，它能產生穩定、均勻的磁場，磁場強度剛剛超過20特斯拉，遠遠超過了任何大規模磁場。
"制造這些磁體的標準方法是將導體纏繞在繞組上，在繞組之間設定絕緣層，你需要絕緣層來處理非正常事件（如停機）時產生的高電壓"。他說："去掉這層絕緣層的好處在於它是一個低壓系統。它大大簡化了制造工藝和進度"。這也為其他元素留出了更多的空間，例如更多的冷卻或更多的強度結構。"
這種磁鐵元件的尺寸略小，它將構成麻省德文斯中心正在建造的 SPARC 核聚變裝置的甜甜圈形腔體。它由 16 塊被稱為薄餅的板塊組成，每塊板塊的一側都纏繞著螺旋形的超導帶，另一側則是氦氣冷卻通道。
但是，無隔熱設計被認為是有風險的，而且測試專案也有很大的風險。哈特維格說："這是第一塊規模足夠大的磁體，它真正探究了使用這種所謂的無隔熱無扭轉技術設計、制造和測試磁體所涉及的問題。當我們宣布這是一個無隔熱線圈時，整個社會都感到非常驚訝"。
挑戰極限......並超越極限
在之前的論文中描述的首次測試證明，該設計和制造工藝不僅可行，而且非常穩定，一些研究人員曾對此表示懷疑。接下來的兩次測試也是在 2021 年底進行的，透過故意制造不穩定條件，包括完全關閉輸入電源，將器材推向了極限，這可能會導致災難性的過熱。這種情況被稱為"淬火"，被認為是此類磁體執行的最壞情況，有可能摧毀器材。
哈特維格說，試驗計劃的部份任務是"實際去故意淬火一個全尺寸的磁體，這樣我們就能在合適的規模和合適的條件下獲得關鍵數據，從而推動科學發展，驗證設計程式碼，然後拆開磁體，看看哪裏出了問題，為什麽會出問題，以及我們如何進行下一次叠代來解決這個問題......這是一次非常成功的試驗。
最後的測試以 16 塊薄餅中一塊薄餅的一角融化而告終，它產生了大量的新資訊。首先，他們一直在使用幾種不同的計算模型來設計和預測磁體各方面的效能，在大多數情況下，這些模型在總體預測上是一致的，並透過一系列測試和實際測量得到了很好的驗證。但在預測淬火效果時，模型的預測結果出現了偏差，因此有必要獲取實驗數據來評估模型的有效性。
"我們所擁有的保真度最高的模型幾乎準確地預測了磁體如何升溫，開始淬火時升溫到什麽程度，以及由此對磁體造成的損害在哪裏。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生的物理現象，並告訴我們哪些模型對未來有用，哪些模型因為不正確而應該被拋棄。"Whyte 說："基本上，在測試了線圈效能的所有其他方面之後，我們故意對線圈做了最壞的處理。我們發現，線圈的大部份沒有受到任何損壞。受損的面積只占線圈體積的百分之幾。因此，我們對設計進行了修改，預計即使在最極端的條件下，也能防止實際核聚變裝置磁體出現這種損壞。"
哈特維格強調說，團隊之所以能夠完成這樣一項創紀錄的全新磁體設計，並在第一時間以極快的速度完成，主要歸功於阿爾卡特 C 型托卡馬克、法蘭西斯-位元磁體實驗室以及 PSFC 開展的其他工作數十年來積累的深厚知識、專業技能和器材。他說："這正是這樣一個地方的機構能力的核心所在。"我們有能力、基礎設施、空間和人員在同一個屋檐下完成這些工作。"
他說，與 CFS 的合作也很關鍵，麻省理工學院和 CFS 將學術機構和私營公司最強大的優勢結合在一起，共同完成了各自無法完成的任務。"例如，CFS 的主要貢獻之一是利用私營公司的力量，以前所未有的水平糊時限為專案中最關鍵的材料建立和擴大供應鏈：300公裏（186英裏）長的高溫超導體在不到一年的時間內透過嚴格的質素控制采購到手，並如期整合到磁體中"。
他說，麻省理工學院和中心兩個團隊的整合也是成功的關鍵。"我們將自己視為一個團隊，這使我們有可能做到我們所做的一切"。
編譯自:ScitechDaily
