日期:2022/10/27 IAE
麻省理工學院設計的項目在聚變能源方面取得重大進展
新的超導磁體打破了磁場強度記錄，為實用、商業、無碳電力鋪平了道路。
David Chandler | MIT News Office Publication Date:September 8, 2021
這種由 Commonwealth Fusion Systems 和麻省理工學院等離子體科學與聚變中心 (PSFC) 設計和製造的大口徑、全尺寸高溫超導磁體展示了創紀錄的 20 特斯拉磁場。 它是世界上最強的聚變磁鐵。學分：學分：Gretchen Ertl，CFS/MIT-PSFC，2021
這是一個基於深入研究和設計工作的三年時間：9 月 5 日，大型高溫超導電磁體首次提升到 20 特斯拉的場強，這是最強大的磁場。地球上曾經創造過的同類領域。麻省理工學院項目負責人和初創公司 Commonwealth Fusion Systems (CFS) 的項目負責人表示，這次成功的演示有助於解決建造世界上第一座發電量大於消耗量的聚變發電廠的最大不確定性。
他們說，這一進步為長期尋求的實用、廉價、無碳發電廠的創造鋪平了道路，這些發電廠可以為限制全球氣候變化的影響做出重大貢獻。
“在很多方面，聚變是最終的清潔能源，”麻省理工學院研究副總裁兼 E. A. Griswold 地球物理學教授 Maria Zuber 說。 “可用的電量確實改變了遊戲規則。”用於產生聚變能的燃料來自水，而“地球充滿了水——這是一種幾乎無限的資源。我們只需要弄清楚如何利用它。”
開發新磁鐵被視為實現這一目標的最大技術障礙。它的成功運行現在為在地球實驗室中展示聚變打開了大門，該實驗室已經進行了數十年，但進展有限。隨著磁體技術的成功展示，麻省理工學院-CFS 的合作有望建造世界上第一個聚變裝置，該裝置可以產生和限制等離子體，產生的能量大於消耗的能量。該演示設備名為 SPARC，計劃於 2025 年完成。
“實現聚變的挑戰既是技術上的，也是科學上的，”麻省理工學院等離子體科學與聚變中心主任丹尼斯·懷特說，該中心正在與 CFS 合作開發 SPARC。但一旦這項技術得到證實，他說，“它是一種取之不盡、用之不竭的無碳能源，您可以隨時隨地部署。它實際上是一種從根本上說的新能源。”
日立美國工程教授懷特說，本週的演示代表了一個重要的里程碑，解決了關於 SPARC 設計可行性的最大問題。 “我相信，這確實是聚變科學和技術的一個分水嶺，”他說。
瓶子裡的太陽
聚變是為太陽提供能量的過程：兩個小原子合併成一個更大的原子，釋放出驚人的能量。但是這個過程需要的溫度遠遠超過任何固體材料所能承受的溫度。為了在地球上捕獲太陽的能量源，需要一種捕獲和容納高溫（100,000,000 度或更高）的方法，方法是將其懸掛起來，防止其與任何固體接觸。
這是通過強磁場完成的，磁場形成一種看不見的瓶子，裡面裝著質子和電子的熱漩渦湯，稱為等離子體。由於粒子帶有電荷，它們受到磁場的強烈控制，最廣泛使用的包含它們的配置是一種稱為託卡馬克的環形裝置。這些設備中的大多數都使用由銅製成的傳統電磁體產生磁場，但法國正在建設的最新和最大的版本，稱為 ITER，使用所謂的低溫超導體。
MIT-CFS 聚變設計的主要創新是使用高溫超導體，它可以在更小的空間內實現更強的磁場。幾年前，一種新型的超導材料使這種設計成為可能。這個想法最初是作為一個由懷特教授的核工程課程中的課程項目產生的。這個想法似乎很有希望，以至於在該級別的接下來的幾次迭代中繼續發展，導致了 2015 年初的 ARC 發電廠設計概念。SPARC 的設計尺寸約為 ARC 的一半，是證明在建造全尺寸發電廠之前的概念。
到目前為止，要獲得製造能夠容納加熱到數億度的等離子體的磁性“瓶”所需的巨大強大磁場的唯一方法是使它們變得越來越大。但是，以扁平帶狀帶形式製成的新型高溫超導材料可以在更小的設備中實現更高的磁場，相當於在大 40 倍的設備中實現的性能。體積使用傳統的低溫超導磁體。功率與尺寸的飛躍是 ARC 革命性設計的關鍵要素。
使用新型高溫超導磁體可以應用從託卡馬克實驗操作中獲得的數十年實驗知識，包括麻省理工學院自己的 Alcator 系列。由麻省理工學院首席研究員、核科學與工程專業羅伯特·N·諾伊斯職業發展助理教授 Zach Hartwig 領導的新方法採用了一種眾所周知的設計，但將所有東西縮小到線性尺寸的一半左右，並且仍然達到相同的效果操作條件，因為較高的磁場。
去年發表的一系列科學論文概述了物理基礎，並通過模擬證實了新聚變裝置的可行性。論文表明，如果磁鐵按預期工作，整個聚變系統確實應該產生淨功率輸出，這是幾十年聚變研究中的第一次。
PSFC 的副主任兼高級研究科學家 Martin Greenwald 說，與其他一些聚變實驗設計不同，“我們正在填補的領域是使用傳統的等離子體物理學、傳統的託卡馬克設計和工程，但將這種新磁體引入技術。因此，我們不需要在六個不同的領域進行創新。我們只是在磁鐵上進行創新，然後應用過去幾十年學到的知識庫。”
科學確立的設計原則和改變遊戲規則的磁場強度相結合，使工廠能夠在經濟上可行並在快車道上發展。 “這是一個重要的時刻，”CFS 首席執行官 Bob Mumgaard 說。 “由於對這些機器進行了數十年的研究，我們現在擁有一個在科學上非常先進的平台，而且在商業上也非常有趣。它的作用是讓我們能夠更快、更小、成本更低地製造設備，”他談到成功的磁鐵演示時說。
概念證明
將這種新的磁鐵概念變為現實需要三年的密集設計工作，建立供應鏈，並製定最終可能需要成千上萬生產的磁鐵的製造方法。
“我們製造了一種首創的超導磁體。創造獨特的製造工藝和設備需要大量工作。因此，我們現在已為擴大 SPARC 生產做好了充分準備，”CFS 運營主管 Joy Dunn 說。 “我們從物理模型和 CAD 設計開始，經過大量開發和原型設計，將紙上設計變成了實際的物理磁體。”這需要建立製造能力和測試設施，包括與多個超導膠帶供應商的迭代過程，以幫助他們達到生產符合所需規格的材料的能力——而 CFS 現在絕大多數是世界上最大的用戶。
她說，他們同時使用了兩種可能的磁體設計，最終都滿足了設計要求。 “這真的歸結為哪一種會徹底改變我們製造超導磁體的方式，哪一種更容易製造。”她說，他們採用的設計在這方面顯然很突出。
在這項測試中，新磁體通過一系列步驟逐漸通電，直到達到 20 特斯拉磁場的目標——這是高溫超導聚變磁體的最高場強。磁鐵由 16 塊疊在一起的板組成，每塊板本身就是世界上最強大的高溫超導磁體。
“三年前，我們宣布了一項計劃，”Mumgaard 說，“製造一個 20 特斯拉的磁鐵，這是我們未來聚變機器所需要的。”他說，即使在大流行的情況下，這一目標現在也已按計劃實現。
CFS 的首席科學官 Brandon Sorbom 引用去年發表的一系列物理論文說：“基本上，這些論文得出的結論是，如果我們製造磁體，所有的物理學都將在 SPARC 中發揮作用。所以，這個演示回答了這個問題：他們能製造磁鐵嗎？這是一個非常激動人心的時刻！這是一個巨大的里程碑。”
下一步將建造 SPARC，這是計劃中的 ARC 發電廠的較小規模版本。 SPARC 的成功運行將證明一個全面的商業聚變發電廠是實用的，為該開創性裝置的快速設計和建造掃清道路，然後可以全速進行。
Zuber 說：“我現在非常樂觀地認為 SPARC 能夠實現淨正能量，基於磁體的展示性能。下一步是擴大規模，建造一座真正的發電廠。前方仍有許多挑戰，其中最重要的是開發一種允許可靠、持續運行的設計。意識到這裡的目標是商業化，另一個主要挑戰將是經濟。您如何設計這些發電廠，以使建造和部署它們具有成本效益？”
在充滿希望的未來的某一天，當世界各地可能有數千座核聚變電站為清潔電網供電時，祖伯說，“我想我們會回顧過去，想想我們是如何到達那裡的，我認為演示對我來說，磁鐵技術是我相信，哇，我們真的可以做到這一點的時候。”
Zuber 指出，成功製造出一種能產生能量的聚變裝置將是一項巨大的科學成就。 但這不是重點。 “在這一點上，我們都沒有試圖贏得獎杯。 我們正在努力保持地球的宜居性。”