MIT团队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 （） 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。”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（）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 ）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：）。

MIT 团队与 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。

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。

责任编辑：肖苏琦