测试表明高温超导磁体已做好聚变准备

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)的实验室实现了一个重要里程碑，一种由高温超导材料制成的新型磁体打破了世界纪录大型磁铁的磁场强度为20特斯拉。这是建造一座聚变发电厂所需的强度，预计该发电厂将产生净电力输出，并有可能迎来一个几乎无限电力生产的时代。

该测试立即被宣布成功，满足了为新型聚变装置(称为SPARC)设计制定的所有标准，磁体是该聚变装置的关键实现技术。疲惫不堪的实验团队为实现这一成就付出了长期艰苦的努力，香槟瓶塞突然破裂，庆祝了他们的成就。

但这还远未结束。在接下来的几个月里，该团队拆解并检查了磁体的组件，仔细研究并分析了数百台记录测试细节的仪器的数据，并对同一个磁体进行了两次额外的测试，最终将其推向了最佳状态。断点，以便了解任何可能的故障模式的详细信息。

所有这些工作现已在PSFC和麻省理工学院衍生公司CommonwealthFusionSystems(CFS)的研究人员撰写的一份详细报告中达到高潮，该报告以六篇同行评审论文的形式发表在IEEE应用超导学报三月号特刊上。

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，该团队发现，预测和计算机建模是准确的，验证了磁铁的独特设计元素可以作为聚变发电厂的基础。

实现实用的聚变动力

最近辞去PSFC主任职务的日立美国工程教授丹尼斯·怀特(DennisWhyte)表示，磁铁的成功测试“在我看来是过去30年聚变研究中最重要的事情”。

在9月5日的演示之前，最好的超导磁体的威力足以实现聚变能，但其尺寸和成本永远无法实用或经济上可行。然后，当测试证明这种强磁体在尺寸大大减小的情况下的实用性时，“一夜之间，它基本上将聚变反应堆的每瓦成本在一天内改变了近40倍，”怀特说。

“现在融合有机会了，”怀特补充道。托卡马克是实验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，能够大大减少使聚变成为可能的物体的尺寸和成本。”

PSFC磁体测试的综合数据和分析(如六篇新论文中详述)表明，新一代聚变装置的计划(由麻省理工学院和CFS设计的装置，以及其他商业聚变公司的类似设计)都建立在坚实的科学基础之上。

超导的突破

聚变是将轻原子结合成较重原子的过程，为太阳和恒星提供动力，但事实证明，在地球上利用这一过程是一项艰巨的挑战，需要数十年的辛勤工作，并在实验设备上花费数十亿美元。

人们长期以来寻求但尚未实现的目标是建造一座产生的能量多于消耗的核聚变发电厂。这样的发电厂在运行过程中可以发电而不排放温室气体，并且产生很少的放射性废物。聚变的燃料是一种可以从海水中提取的氢，几乎是无限的。

但要使其发挥作用，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，但以前所有的聚变磁体都是用超导材料制成的，需要高于绝对零(4开尔文，或-270°C)约4度的寒冷温度。

在过去的几年中，一种名为REBCO(稀土氧化铜钡)的新型材料被添加到聚变磁体中，使它们能够在20开尔文的温度下工作，尽管该温度仅高出16开尔文，但在性能方面带来了显着的优势。材料特性和实际工程。

利用这种新型高温超导材料不仅仅是在现有磁体设计中替代它的问题。相反，“这是对几乎所有用于构建超导磁体的原理的重新设计，”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，而且实际上要从头开始创新。”IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity上的新论文描述了专利保护到位后重新设计过程的细节。

其中一项引人注目的创新是消除了形成磁体的薄而扁平的超导带周围的绝缘层，该创新让该领域的许多其他人对其成功机会表示怀疑。与几乎所有电线一样，传统的超导磁体受到绝缘材料的充分保护，以防止电线之间发生短路。但在新的磁铁中，胶带完全裸露;工程师依靠REBCO更高的导电率来保持电流流过材料。

“当我们开始这个项目时，比如说2018年，使用高温超导体制造大型高场磁体的技术还处于起步阶段，”该系的罗伯特·N·诺伊斯职业发展教授扎克·哈特维格(ZachHartwig)说核科学与工程系。Hartwig在PSFC担任联合任命，并担任其工程小组的负责人，该小组领导了磁体开发项目。

“最先进的技术是小型台式实验，并不能真正代表建造全尺寸物体所需的条件。我们的磁体开发项目从台式规模开始，并在短时间内达到了全尺寸，”他补充道，指出该团队制造了一块20,000磅重的磁铁，它产生了刚刚超过20特斯拉的稳定、均匀的磁场，远远超过了大规模产生的任何此类磁场。

“制造这些磁铁的标准方法是缠绕导体，并且绕组之间有绝缘层，并且需要绝缘层来处理非正常事件(例如停机)期间产生的高电压。”他说，消除绝缘层“具有低压系统的优势。它大大简化了制造工艺和进度。”它还为其他元素留下了更多空间，例如更多的冷却或更多的强度结构。

该磁体组件是马萨诸塞州德文斯市CFS正在建造的SPARC聚变装置圆环形室的磁体组件的一个稍小的版本。它由16个称为薄饼的板组成，每块板的一侧都有螺旋缠绕的超导带，另一侧有氦气冷却通道。

但无绝缘设计被认为存在风险，并且很大程度上依赖于测试计划。哈特维格说：“这是第一块足够规模的磁铁，真正探讨了使用这种所谓的无绝缘无扭转技术设计、制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。”

挑战极限……甚至超越

之前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——一些研究人员对此表示怀疑。接下来的两次测试运行也于2021年末进行，然后故意创造不稳定的条件(包括完全切断输入电源，从而导致灾难性的过热)，将设备推向极限。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。

哈特维格说，测试计划的部分任务是“实际启动并有意淬灭全尺寸磁铁，以便我们能够在正确的尺度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，然后将磁铁拆开，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，最终测试以16个煎饼中的一个煎饼的一个角融化而结束，产生了大量新信息。一方面，他们一直在使用几种不同的计算模型来设计和预测磁体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上是一致的，并且通过一系列测试和测试得到了很好的验证。真实世界的测量。但在预测淬火效果时，模型预测出现了偏差，因此需要获得实验数据来评估模型的有效性。

他说：“我们几乎准确地预测了磁体将如何升温、开始失超时会升温到什么程度以及对磁体造成的损害的最高保真度模型。”正如一份新报告中详细描述的那样，“该测试实际上准确地告诉了我们正在发生的物理现象，它告诉我们哪些模型对未来有用，哪些模型因为不正确而被搁置。”

怀特说：“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都没有损坏，”而一个孤立的区域则遭受了一些损坏。融化。“这就像线圈体积的百分之几被损坏。”这导致了设计的修改，预计即使在最极端的条件下，也能防止实际聚变装置磁体出现此类损坏。

Hartwig强调，该团队能够完成如此激进的创纪录磁体设计，并在一次紧张的时间内完成任务，主要原因是积累了深厚的知识、专业知识和设备。AlcatorC-Mod托卡马克装置、弗朗西斯苦磁实验室以及PSFC进行的其他工作已有数十年的运行经验。“这涉及到像这样的地方的机构能力的核心，”他说。“我们有能力、基础设施、空间和人员在同一屋檐下完成这些事情。”

他说，与CFS的合作也很关键，麻省理工学院和CFS将学术机构和私营公司最强大的方面结合起来，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项目中最关键材料的供应链：300公里(186英里)的高空-温度超导体，在不到一年的时间内通过严格的质量控制采购，并按计划集成到磁体中。”

他说，来自麻省理工学院和CFS的两个团队的整合对于成功也至关重要。“我们认为自己是一个团队，这使得我们能够做到我们所做的事情。”