麻省理工核聚变突破！或发生30年来核聚变研究中最重要的事情

  核聚变发电可能已准备好了，今天麻省理工一口气发表了6篇论文，中心思想就一个，他们用高温超导带制成的新型磁体，可以把托卡马克装置的体积和成本压缩40倍，也就是说只有国际热核聚变装置（ITER）的1/40，并且已经经过了最极端的测试，这可能是“过去30年来核聚变研究中最重要的事情”！

  而这一突破早在2021年就实现了，这在某种程度上预示着什么呢？他们据此设计建造的托卡马克装置Sparc，当初预计在2025年开始运行，这一计划明年非常有可能如期成为现实，人造太阳离我们可能真的慢慢的接近了。

  人造太阳究竟可不可行，托卡马克是全地球村的希望，这一上世纪末就已研究透彻的技术，带来一个非常明确的共识，那就是足够强大的磁场将足够热、足够密的等离子体稳定维持足够的时间，计算的结果就是在当时的技术条件下，非得建造一个非常巨大、极其烧钱，让一个国家财政预算顿足捶胸的玩意儿，才有机会实现输出能量大于输入能量的核聚变融合。

  面对天文数字般的投入和可能失败的巨大风险，显然没有一个国家愿意独自跳进这个坑，所以就像当初建造国际空间站一样，全球主要国家再次达成了合作共识，大家共同凑份子，在法国建造一个直径12米，主要设备就重达23000吨的国际热核聚变装置（ITER），以验证核聚变发电最终是否可行。

  之后聪明的美国人率先拆除了托卡马克装置，开始搞激光点火聚变，日本和欧洲则选择升级托卡马克，继续为ITER提供技术上的支持，前不久欧洲的JET也终于宣布结束运行。新加入的中国、韩国，则开始建造更先进的托卡马克装置，加大学习和培养人才的力度，一旦ITER实验成功，就可以迅速开发商业化核聚变电站。

  美国对ITER可能没抱什么希望，曾经一度退出，后来又重新加入，加拿大则干脆直接退出了。但美国并没放弃托卡马克，民营资本开始研发各种托卡马克变体装置，目前已投入数十亿美元，多个项目可能已处于突破的边缘，最早的已宣称要在2028年核聚变发电。

  麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（PSFC）没有等ITER，也没有依葫芦画瓢，他们选择把托卡马克装置缩小，成本降低，打造一个能轻松负担的验证装置。而要把设备缩小，办法只有一个，那就是更强大的磁场，因为等离子体的约束时间随直径的平方变化，而功率密度随磁场的4次方变化，这在某种程度上预示着磁场强度翻一番，聚变功率将达到16倍。ITER选择增加尺寸，麻省理工选择增强磁场。

  而麻省理工还有一个更大胆的想法，就是把磁体中的在允许电压下不导电的材料全部去掉！你可能会觉得这完全是疯了，在传统的超导磁体设计中，超导带或线圈之间常常要绝缘材料，以防止电流短路发热，导致磁体功能失效或损坏。

  麻省理工的天才想法是，发热是电阻产生的，而超导状态下材料是零电阻，这在某种程度上预示着电流可以在没有能量损失的情况下流动，导电性超强的超导带即使相互接触，也不会因电阻而产生热量和能量损耗，那还要绝缘材料干什么呢？

  四是潜在的过热会更加均匀地分布在整个磁体中，有助于防止局部损伤，增强磁体的整体稳定性和安全性。

  另一个关键就是氧化钇钡铜（YBCO）胶带，这是一种革命性的高温超导材料，可以在液氮温度（-196℃）下工作，并能承载很大的电流，从而在更小的空间里产生更强的磁场。麻省理工从2018年开始，就将全球大部分4毫米高温超导胶带都买了下来，长达300公里，最后绕成了16个线圈，制造了一个可以环绕托卡马克装置的环形磁场。

  然而想法再大胆，能不能成还是要实践出线日，麻省理工PSFC的实验室里一片欢腾，因为科学家们实现了一个重要的里程碑，这种高温超导材料制成的新型磁体，创造了大型磁铁磁场强度新的世界纪录：令人瞠目结舌的20 特斯拉，而且非常地稳定均匀。这个强度是地球磁场的40万倍，可以直接将一艘航空母舰抬出水面！

  在接下来的几个月内，研究人员拆解了磁体的每一个组件，仔细审视数百个仪器记录的数据，并进行了两次极限测试，以检验他们最大胆的想法——去掉绝缘材料，让高温超导带“”运行是不是完全可行。

  研究人员故意制造极端条件，突然切断全部电源，这时候由于超导体的零电阻特性，磁体内部仍旧能维持一个持续的强大电流。但如果部分磁体因为外部条件变化而过热或受到机械应力，就可能超越临界温度或临界磁场，导致超导性丧失成为正常阻性状态，从而开始产生热量。这时候磁体内部电流仍在流动并且很大，非常容易造成局部温度上升，如果无法有效散热，就有几率发生灾难性的过热，进而导致磁体结构的损坏，此现状被称为淬火。

  最终在16个磁体中，只有一个磁铁有一个角发生了熔化，科学家们据此重新进行了设计，从而能够保证在最极端的情况下，磁体也不会再受到损伤，这在某种程度上预示着他们异想天开，大胆去除绝缘材料，让超导带“裸奔”的设计，不仅理论上可行，实际上也是完全行得通的。PSFC前主任，美国工程教授丹尼斯·怀特称，这是“过去 30 年聚变研究中最重要的事情”。

  这两项革命性的技术创新和突破，意味着麻省理工正在建造的Sparc托卡马克装置，将有可能是在体积和成本都只有国际热核聚变装置1/40的情况下，也就是直径只有3.7米的情况下，将2亿K的高温等离子体维持10秒钟，实现140MW的聚变功率输出，达成Q值2-11的既定目标。这个Q值差不多就是ITER的目标，只是ITER的输出是500MW，维持时间400秒。

  但Sparc还只是演示机，麻省理工最终的目标是打造一台直径6.6米的ARC聚变反应堆，这个尺寸只有ITER一半，但Q值会达到13.6，输出270MW聚变能。最重要的是，它的成本可能仅仅是ITER的一小部分，随着绝缘材料的取消，装置还能做到更紧凑，性能更强，这在某种程度上预示着成本还可能逐步降低。目前这一个项目已获得超过20亿美元的私人资本投资，包括意大利埃尼集团、比尔盖茨的突破能源、淡马锡控股等。

  不得不说，麻省理工团队太大胆了，竟然想出了可能很多人想都不敢想的让超导带“裸奔”的设计，这不仅是思维上的一次突破，更带来了技术上的巨大飞跃和核聚变的重大进步。其实不光麻省理工，一些处于核聚变突破边缘的团队，他们的想法和设计也是令人惊叹，啧啧称奇的。比如2028年要向微软提供核聚变电的Helion，他们是把磁性约束和惯性约束结合起来，通过等离子体磁场直接发电，连锅炉烧水的环节都省了。

  这项研究的6篇论文，以同行评论的形式发表在《IEEE应用超导汇刊》3月号的特刊上，包括磁体设计和制造、性能评估及检测、经验教训等，有兴趣的朋友可以去看看。