高溫超導(dǎo)磁體已為聚變能做好準(zhǔn)備

劉迪一/編譯

2021年9月5日黎明前的幾個(gè)小時(shí)，麻省理工學(xué)院（MIT）等離子體科學(xué)與聚變中心（PSFC）的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，工程師們?nèi)〉靡豁?xiàng)里程碑式突破：一種由高溫超導(dǎo)材料制成的新型磁體產(chǎn)生強(qiáng)度高達(dá)20特斯拉的磁場。這是迄今為止大型磁體實(shí)現(xiàn)的最高磁場強(qiáng)度，是建造一座能產(chǎn)生凈電力輸出的聚變發(fā)電廠所需的強(qiáng)度，而這樣的電廠將推動(dòng)無限清潔電力時(shí)代到來。

這場測試即刻宣布其成功結(jié)果。它滿足了為新型聚變裝置（稱作SPARC，磁體是裝置的絕對核心）設(shè)計(jì)制定的所有標(biāo)準(zhǔn)。已然疲憊不堪的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)此壯舉開展了長久而艱苦的工作，當(dāng)然，他們也歡慶了自己的成功。

不過工作遠(yuǎn)未結(jié)束。在后續(xù)幾個(gè)月里，該團(tuán)隊(duì)拆解并檢查磁體組件，仔細(xì)研究分析數(shù)百臺(tái)記錄測試細(xì)節(jié)的儀器的數(shù)據(jù)，并對同一磁體進(jìn)行了兩次額外測試——最終令其到達(dá)極限——以了解任何可能故障模式的詳細(xì)信息。

上述所有工作現(xiàn)已被PSFC和MIT衍生企業(yè)聯(lián)邦聚變系統(tǒng)（CFS）的研究團(tuán)隊(duì)寫入一份詳細(xì)報(bào)告。該報(bào)告以6篇同行評審論文形式發(fā)表于2024年《電氣與電子工程師協(xié)會(huì)應(yīng)用超導(dǎo)學(xué)報(bào)》（IEEE Transactions on Applied Superconductivity）的3月特刊上。這些論文介紹了磁體的設(shè)計(jì)、制造和評估其性能所需的診斷設(shè)備，以及從中吸取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。總體而言，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)預(yù)測和計(jì)算機(jī)建模是準(zhǔn)確的，驗(yàn)證了磁體獨(dú)特的設(shè)計(jì)元素可作為聚變發(fā)電廠的基礎(chǔ)。

實(shí)現(xiàn)實(shí)用的聚變動(dòng)力

最近辭去PSFC主任職務(wù)的核科學(xué)與工程學(xué)教授丹尼斯 · 懷特（Dennis Whyte）表示，磁體的成功測試“在我看來是過去30年聚變研究領(lǐng)域最重要的事情”。

在2021年9月5日的演示之前，最優(yōu)異的超導(dǎo)磁體足以實(shí)現(xiàn)聚變能，但其尺寸和成本問題決定了它不具備實(shí)用性。而當(dāng)新測試證明此種強(qiáng)磁體能在尺寸顯著縮小情況下仍保有實(shí)用性后，“聚變反應(yīng)堆的每瓦成本減小至約1/40”。

懷特認(rèn)為：“現(xiàn)在，聚變能的機(jī)會(huì)來了。在我看來，托卡馬克有機(jī)會(huì)變得經(jīng)濟(jì)實(shí)用，因?yàn)樵谝阎锢硪?guī)則的約束下，尺寸和成本的大幅減小使聚變能未來可期。”

正如6篇新論文所詳述的，PSFC磁體測試的綜合數(shù)據(jù)和分析表明，以MIT和CFS的設(shè)計(jì)為代表的新一代聚變裝置都建立在堅(jiān)實(shí)科學(xué)基礎(chǔ)之上。

超導(dǎo)的突破

聚變是將輕原子核結(jié)合成相對更重原子核的過程，是太陽等恒星的能量之源，但在地球上利用此過程是無比艱巨的挑戰(zhàn)，需要數(shù)十年辛勤工作和數(shù)十億美元的實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入。人們一直尋求但尚未實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是建造一座產(chǎn)能多于耗能的核聚變發(fā)電廠 。這樣的發(fā)電廠能在不排放溫室氣體的情況下為人類供電，且只產(chǎn)生極少放射性廢物。聚變的燃料是一種可從海水處提取的氫，幾乎取之不盡。

然而，要讓聚變真正發(fā)揮作用，需極度高溫和高壓，而且由于尚無已知材料可承受如此溫度，燃料必須用極強(qiáng)磁場固定到位，這當(dāng)然就離不開超導(dǎo)磁體了。過往所有聚變磁體都用超導(dǎo)材料制成，它們需要極度低溫條件——比絕對零度高大約4度，即4開爾文。過去幾年間，一種名為稀土鋇銅氧化物（REBCO）的新型材料被添加至聚變磁體中，使其能在20開爾文的溫度下工作，雖然變化幅度不大，但也帶來了材料性質(zhì)和工程實(shí)用性層面的顯著優(yōu)勢。

這種新型超導(dǎo)材料的應(yīng)用不僅僅是簡單的更新?lián)Q代，用懷特的話說：“這是對用于構(gòu)建超導(dǎo)磁體的幾乎所有原理的徹底改造。新的REBCO材料與上一代超導(dǎo)體截然不同。你不僅要適應(yīng)和取代，實(shí)際上還要從頭開始創(chuàng)新。”《應(yīng)用超導(dǎo)學(xué)報(bào)》的新論文描述了重新設(shè)計(jì)過程的細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵創(chuàng)新：無絕緣層

其中一項(xiàng)引人注目的創(chuàng)新是消除了又細(xì)又扁的超導(dǎo)帶（形成磁體）周圍的絕緣層，這實(shí)際上引起業(yè)內(nèi)許多人對其成功機(jī)會(huì)的懷疑。與幾乎所有電線一樣，傳統(tǒng)超導(dǎo)磁體受到絕緣材料的充分保護(hù)，用以防止電線之間發(fā)生短路。但在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的新磁體中，超導(dǎo)帶完全裸露，工程師依靠REBCO更高的導(dǎo)電率來使電流流過材料。

MIT核科學(xué)與工程系副教授扎克 · 哈特維格（Zach Hartwig）表示：“當(dāng)我們開始這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，比方說在2018年，利用高溫超導(dǎo)體制造大型強(qiáng)磁場磁體的技術(shù)還處于起步階段。”哈特維格是PSFC的研究員，也擔(dān)任其工程小組的負(fù)責(zé)人，該團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)了磁體開發(fā)項(xiàng)目。“最先進(jìn)的技術(shù)是小型臺(tái)式實(shí)驗(yàn)，但它不能真正代表創(chuàng)建全尺寸設(shè)備所需的條件。我們的磁體開發(fā)項(xiàng)目從臺(tái)式規(guī)模開始，并在很短的時(shí)間內(nèi)完成了全規(guī)模開發(fā)。”他還指出，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)制造了一塊重達(dá)9000公斤的磁體，它產(chǎn)生了場強(qiáng)剛好超過20特斯拉、穩(wěn)定且均勻的磁場——遠(yuǎn)超此前生產(chǎn)的所有同類磁體。

哈特維格說道：“制造這些磁體的標(biāo)準(zhǔn)方法是纏繞導(dǎo)體，并在繞組間設(shè)置絕緣層，我們需要絕緣層來應(yīng)對停機(jī)等非正常事件期間產(chǎn)生的高電壓。而消除絕緣層具有低壓系統(tǒng)的優(yōu)勢。它極大地簡化了制造流程和工作計(jì)劃，也為其他元素的設(shè)計(jì)，例如冷卻或強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，留出了更大空間和可能性。”

前文提到，馬薩諸塞州德文斯市CFS公司正建造新型聚變裝置SPARC，而上述磁體組件可視作SPARC裝置圓環(huán)形腔體的磁體組件的縮小版本。該磁體組件由16塊薄板組成，每塊板的一側(cè)都有螺旋纏繞的超導(dǎo)帶，另一側(cè)則是氦氣冷卻通道。但無絕緣設(shè)計(jì)被認(rèn)為存在風(fēng)險(xiǎn)，而且很大程度上依賴測試安排。

哈特維格說：“這是第一塊足尺寸、全規(guī)模的磁體，真正探討了使用這種所謂無絕緣無纏繞技術(shù)設(shè)計(jì)、制造和測試磁體所涉及的內(nèi)容。當(dāng)我們宣布這種無絕緣線圈時(shí)，圈內(nèi)人士感到非常驚訝。”

挑戰(zhàn)極限甚至超越

論文介紹的初步測試證明，設(shè)計(jì)和制造過程不僅行得通，而且高度穩(wěn)定——有同行對此表示懷疑。接下來的兩次測試運(yùn)行也于2021年末開展，團(tuán)隊(duì)刻意創(chuàng)造不穩(wěn)定的條件，包括完全切斷輸入電源以引起災(zāi)難性的過熱，從而將設(shè)備推向極限。這是一種淬火處理，被認(rèn)為是此類磁體運(yùn)行中可能遭遇的最壞情況，足以損壞設(shè)備。

哈特維格表示：“測試計(jì)劃的部分任務(wù)是實(shí)際啟動(dòng)并刻意淬滅全尺寸磁體，以便我們能在正確的規(guī)模和條件下獲得關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以推動(dòng)這門科學(xué)發(fā)展。驗(yàn)證設(shè)計(jì)代碼，然后拆解磁體，尋找問題，思考為什么出錯(cuò)，以及我們?nèi)绾芜M(jìn)行下一次迭代來解決問題……這是一次非常成功的測試。”

最終測試以16塊薄板之一的一個(gè)角熔化問題而結(jié)束，也產(chǎn)出了大量新信息。一方面，團(tuán)隊(duì)一直使用幾種不同的計(jì)算模型來設(shè)計(jì)和預(yù)測磁體各方面性能，而且大多數(shù)情況下，這些模型的預(yù)測總體上一致，并通過一系列測試和真實(shí)世界的測量。不過模型在預(yù)測淬火效果時(shí)出現(xiàn)了偏差，因此需要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來評估其有效性。

哈特維格說道：“我們的高保真度模型幾乎準(zhǔn)確預(yù)測了磁體開始淬滅時(shí)會(huì)如何升溫，升溫至多少以及這對磁體造成的損害。正如其中一份報(bào)告所詳述的，該測試實(shí)際上準(zhǔn)確告訴了我們正在發(fā)生的物理現(xiàn)象，告訴我們哪些模型對未來有用，哪些模型不適用。”

懷特指出：“在測試了金屬線圈的各方面性能后，我們又使其經(jīng)受最殘酷考驗(yàn)，結(jié)果大部分都得以幸存，并無損壞，但一個(gè)孤立區(qū)域出現(xiàn)了一些熔化（大概占線圈總體積的百分之幾）。”此情況使得團(tuán)隊(duì)修改設(shè)計(jì)，旨在面對最極端條件，聚變裝置的磁體也不會(huì)出現(xiàn)諸如熔化之類的損壞。

哈特維格強(qiáng)調(diào)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)能做出如此激進(jìn)、創(chuàng)紀(jì)錄的磁體設(shè)計(jì)，能在緊湊的日程里完成任務(wù)，主要仰仗知識(shí)、技術(shù)和研究設(shè)備方面的深厚積累——阿爾卡特C-Mod托卡馬克裝置、弗朗西斯 · 比特磁體實(shí)驗(yàn)室以及PSFC的相關(guān)工作已開展數(shù)十年。

此外，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)MIT與私營企業(yè)CFS的合作也很關(guān)鍵，雙方取長補(bǔ)短，發(fā)揮各自最大的優(yōu)勢，攜手完成任何一方都難以獨(dú)自完成的事情。

資料來源 mit.edu