MIT 團隊證明高溫超導體可用于核聚變，將核聚變裝置成本壓縮數十倍

近日，MIT 團隊在 IEEE Transactions on Applied Superconductivity 齊發 6 篇論文，宣布通過他們所研發的新型高溫超導磁體，能夠將可控核聚變裝置托卡馬克 的體積和成 本壓縮 40 倍，并成功通 過了科學上嚴格的測試和論證。

前 MIT 等離子體科學與聚變中心主 任丹尼斯 · G · 懷特 （） 教授對媒體表示：" 在我看來，HTS 的成功測試是過去 30 年聚變研究中最重要的事情。"

尺寸和成本是核聚變裝置能否在現實中應用的關鍵問題。超導磁體通常體積巨大，以容納大量的超導線圈和冷卻設備。通過縮小體積，可以大幅減少超導磁體占用的空間，使其適用于更多的應用場景。

另一方面，不可忽視的是，超導磁體的制造和運行成本通常很高。通過縮小體積，可以減少材料的用量和冷卻系統的數量，從而降低成本。

圖丨在 MIT 等離子體科學與聚變中心，新型磁體實現了 20 特斯拉的磁場強度（來源：MIT）

實際上，在地球上實現核聚變是一項艱巨的挑戰，不僅需要解決一系列科學難題，還需要多達數十億美元的投入。一直以來，人們都在尋找理想的、可提供無限清潔能源的核聚變發電。

通過核聚變發電，產生的能量比所消耗的能量多，不僅在整個發電過程中不排放任何溫室氣體和其他污染物，而且從海水中提取氘和氚作為核聚變的燃料還有資源豐富的優勢。

近年來，一種名為稀土氧化銅鋇（Rare Earth Barium Copper Oxide，REBCO）的新型高溫超導磁體（high-temperature superconducting，HTS）被添加到核聚變磁體中。

與上一代超導體截然不同的是，這種新型 HTS 不僅要解決現有磁體設計中的替代問題。" 相反，這是對用于構建超導磁體的幾乎所有原理的徹底改造。" 對媒體表示。

在本次發布的新論文中，研究人員對該材料申請專利后重新設計的細節過程進行了描述。此外，其中還有一項引起高度關注的創新——他們通過簡化制備流程，去除了超導帶周圍的絕緣層。

在日常生活中，為防止電線之間發生短路，少不了絕緣層的保護。此前的超導磁體也和電線相同，都在其中添加了絕緣材料。

但在新的磁鐵中，在沒有絕緣層保護的情況下，工程師們以高于 REBCO 的導電率保持電流經過材料。當然，這也引起了領域內的專業人員對這項創新的質疑。

" 制造這些磁鐵的標準方法是纏繞導體，并且需要絕緣層來處理非正常事件（例如停機）期間產生的高電壓。"MIT 扎卡里 · 哈特維格（）教授對媒體表示。

圖丨大口徑、全尺寸高溫超導磁體（來源：MIT）

實際上，早在 2021 年 9 月，MIT 的工程師與美國核聚變能源初創公司 Commonwealth Fusion Systems（簡稱 ）合作，已制備出這種新型 HTS，并達到建造核聚變發電廠所需的 20 特斯拉的磁場強度，這刷新了同類磁體的最高記錄。

并且，實用型聚變反應堆（Practical fusion reactors）還入選了 2022 年《麻省理工科技評論》的 " 全球十大突破性技術 "（詳情查閱 DeepTech 報道：）。

MIT 團隊與 公司基于 HTS 開發緊湊 型聚變裝 置 SPARC。SPARC 的大小與中型聚變裝置類似，但磁場更強。

SPARC 設計 1.85m 的長半徑和 0.57m 的短半徑，在 12.2T 的環形場和 8.7MA 的等離子體電流下運行，能夠產生 50-100MW 的聚變功率。

圖丨 SPARC 效果圖（來源：SPARC）

此后，工程師們拆解并檢查了 HTS 的組件，深入研究了數百臺儀器的詳細測試數據。與此同時，他們還對同一磁體進行了兩次額外的測試，以了解設備的最佳狀態和確定解決故障的相關模式。

具體來說，他們故意制造不穩定的條件讓設備面臨極限環境，例如完全切斷輸入電源，導致災難性的過熱，這被稱為淬火。這種情況被認定為此類磁鐵運行的時可能遇到的最壞情況，極有可能會造成設備損壞。

在接受媒體采訪時說：" 測試的任務實際上是啟動并有意淬滅全尺寸磁體，以便我們能夠在正確的尺度和正確的條件下獲得關鍵數據，經過驗證設計代碼，以推進實驗進展。"

這樣，研究人員能夠全面掌握該過程中會遇到的問題、發現出錯的原因，并找到解決問題的迭代方法。

總體來說，MIT 的研究人員在 6 篇論文中，詳細報道了設計、制造磁體和測評磁體性能所需的診斷設備，并總結了在研究過程中的相關經驗。他們驗證了預測和計算機建模，并證明基于 HTS 的特性能夠作為核聚變發電的基礎。