MIT证明高温超导体可用于核聚变，将核聚变装置成本压缩数十倍

近日，MIT 团队在 IEEE Transactions on Applied Superconductivity 齐发 6 篇论文，宣布通过他们所研发的新型高温超导磁体，能够将可控核聚变装置托卡马克的体积和成本压缩 40 倍，并成功通过了科学上严格的测试和论证。

前 MIT 等离子体科学与聚变中心主任丹尼斯·G·怀特（Dennis G. Whyte）教授对媒体表示：“在我看来，HTS 的成功测试是过去 30 年聚变研究中最重要的事情。”

尺寸和成本是核聚变装置能否在现实中应用的关键问题。超导磁体通常体积巨大，以容纳大量的超导线圈和冷却设备。通过缩小体积，可以大幅减少超导磁体占用的空间，使其适用于更多的应用场景。

另一方面，不可忽视的是，超导磁体的制造和运行成本通常很高。通过缩小体积，可以减少材料的用量和冷却系统的数量，从而降低成本。

图丨在 MIT 等离子体科学与聚变中心，新型磁体实现了 20 特斯拉的磁场强度（来源：MIT）

实际上，在地球上实现核聚变是一项艰巨的挑战，不仅需要解决一系列科学难题，还需要多达数十亿美元的投入。一直以来，人们都在寻找理想的、可提供无限清洁能源的核聚变发电。

通过核聚变发电，产生的能量比所消耗的能量多，不仅在整个发电过程中不排放任何温室气体和其他污染物，而且从海水中提取氘和氚作为核聚变的燃料还有资源丰富的优势。

近年来，一种名为稀土氧化铜钡（Rare Earth Barium Copper Oxide，REBCO）的新型高温超导磁体（high-temperature superconducting，HTS）被添加到核聚变磁体中。

与上一代超导体截然不同的是，这种新型 HTS 不仅要解决现有磁体设计中的替代问题。“相反，这是对用于构建超导磁体的几乎所有原理的彻底改造。”怀特对媒体表示。

在本次发布的新论文中，研究人员对该材料申请专利后重新设计的细节过程进行了描述。此外，其中还有一项引起高度关注的创新——他们通过简化制备流程，去除了超导带周围的绝缘层。

在日常生活中，为防止电线之间发生短路，少不了绝缘层的保护。此前的超导磁体也和电线相同，都在其中添加了绝缘材料。

但在新的磁铁中，在没有绝缘层保护的情况下，工程师们以高于 REBCO 的导电率保持电流经过材料。当然，这也引起了领域内的专业人员对这项创新的质疑。

“制造这些磁铁的标准方法是缠绕导体，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。”MIT 扎卡里·哈特维格（Zach Hartwig）教授对媒体表示。

图丨大口径、全尺寸高温超导磁体（来源：MIT）

实际上，早在 2021 年 9 月，MIT 的工程师与美国核聚变能源初创公司 Commonwealth Fusion Systems（简称 CFS）合作，已制备出这种新型 HTS，并达到建造核聚变发电厂所需的 20 特斯拉的磁场强度，这刷新了同类磁体的最高记录。

并且，实用型聚变反应堆（Practical fusion reactors）还入选了 2022 年《麻省理工科技评论》的“全球十大突破性技术”（详情查阅 DeepTech 报道：《麻省理工科技评论》2022 年“全球十大突破性技术”正式发布！）。

MIT 团队与 CFS 公司基于 HTS 开发紧凑型聚变装置 SPARC。SPARC 的大小与中型聚变装置类似，但磁场更强。

SPARC 设计 1.85m 的长半径和 0.57m 的短半径，在 12.2T 的环形场和 8.7MA 的等离子体电流下运行，能够产生 50-100MW 的聚变功率。

图丨SPARC 效果图（来源：SPARC）

此后，工程师们拆解并检查了 HTS 的组件，深入研究了数百台仪器的详细测试数据。与此同时，他们还对同一磁体进行了两次额外的测试，以了解设备的最佳状态和确定解决故障的相关模式。

具体来说，他们故意制造不稳定的条件让设备面临极限环境，例如完全切断输入电源，导致灾难性的过热，这被称为淬火。这种情况被认定为此类磁铁运行的时可能遇到的最坏情况，极有可能会造成设备损坏。

哈特维格在接受媒体采访时说：“测试的任务实际上是启动并有意淬灭全尺寸磁体，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，经过验证设计代码，以推进实验进展。”

这样，研究人员能够全面掌握该过程中会遇到的问题、发现出错的原因，并找到解决问题的迭代方法。

总体来说，MIT 的研究人员在 6 篇论文中，详细报道了设计、制造磁体和测评磁体性能所需的诊断设备，并总结了在研究过程中的相关经验。他们验证了预测和计算机建模，并证明基于 HTS 的特性能够作为核聚变发电的基础。

参考资料：

https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=10348035&punumber=77

https://news.mit.edu/2024/tests-show-high-temperature-superconducting-magnets-fusion-ready-0304

https://scitechdaily.com/mits-fusion-breakthrough-unlocking-star-power-with-superconducting-magnets/

https://news.mit.edu/2021/MIT-CFS-major-advance-toward-fusion-energy-0908

https://www.psfc.mit.edu/sparc

https://www.psfc.mit.edu/research/topics/high-field-pathway-fusion-power

支持：邹名之

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