麻省理工核聚變突破！或發生30年來核聚變研究中最重要的事情
核聚變發電可能已做好準備了，今天麻省理工一口氣發表了6篇論文，中心思想就一個，他們用高溫超導帶製成的新型磁體，可以把託卡馬克裝置的體積和成本壓縮40倍，也就是說只有國際熱核聚變裝置（ITER）的1/40，並且已經經過了最極端的測試，這可能是“過去30年來核聚變研究中最重要的事情”！
而這一突破早在2021年就實現了，這意味着什麼呢？他們據此設計建造的託卡馬克裝置Sparc，當初預計在2025年開始運行，這一計劃明年極有可能如期成爲現實，人造太陽離我們可能真的越來越近了。
人造太陽究竟可不可行，託卡馬克是全地球村的希望，這一上世紀末就已研究透徹的技術，帶來一個非常明確的共識，那就是足夠強大的磁場將足夠熱、足夠密的等離子體穩定維持足夠的時間，計算的結果就是在當時的技術條件下，非得建造一個非常巨大、極其燒錢，讓一個國家財政預算頓足捶胸的玩意兒，纔有可能實現輸出能量大於輸入能量的核聚變融合。
面對天文數字般的投入和可能失敗的巨大風險，顯然沒有一個國家願意獨自跳進這個坑，所以就像當初建造國際空間站一樣，全球主要國家再次達成了合作共識，大家共同湊份子，在法國建造一個直徑12米，主要設備就重達23000噸的國際熱核聚變裝置（ITER），以驗證核聚變發電最終是否可行。
之後聰明的美國人率先拆除了託卡馬克裝置，開始搞激光點火聚變，日本和歐洲則選擇升級託卡馬克，繼續爲ITER提供技術支持，前不久歐洲的JET也終於宣佈結束運行。新加入的中國、韓國，則開始建造更先進的託卡馬克裝置，加大學習和培養人才的力度，一旦ITER實驗成功，就可以迅速開發商業化核聚變電站。
美國對ITER可能沒抱什麼希望，曾經一度退出，後來又重新加入，加拿大則乾脆直接退出了。但美國並沒有放棄託卡馬克，民營資本開始研發各種託卡馬克變體裝置，目前已投入數十億美元，多個項目可能已處於突破的邊緣，最早的已宣稱要在2028年核聚變發電。
麻省理工學院等離子體科學與聚變中心（PSFC）沒有等ITER，也沒有依葫蘆畫瓢，他們選擇把託卡馬克裝置縮小，成本降低，打造一個可以輕鬆負擔的驗證裝置。而要把設備縮小，辦法只有一個，那就是更強大的磁場，因爲等離子體的約束時間隨直徑的平方變化，而功率密度隨磁場的4次方變化，這意味着磁場強度翻一番，聚變功率將達到16倍。ITER選擇增加尺寸，麻省理工選擇增強磁場。
而麻省理工還有一個更大膽的想法，就是把磁體中的絕緣材料全部去掉！你可能會覺得這完全是瘋了，在傳統的超導磁體設計中，超導帶或線圈之間通常需要絕緣材料，以防止電流短路發熱，導致磁體功能失效或損壞。
麻省理工的天才想法是，發熱是電阻產生的，而超導狀態下材料是零電阻，這意味着電流可以在沒有能量損失的情況下流動，導電性超強的超導帶即使相互接觸，也不會因爲電阻而產生熱量和能量損耗，那還要絕緣材料幹什麼呢？
而把絕緣材料去掉，讓超導帶“裸奔”，好處絕對是革命性的。
一是可以簡化製造過程，節約成本和時間；
二是超導帶更緊密的排列，可以提高磁場強度和均勻性；
三是可以讓冷卻劑直接接觸超導帶，提高冷卻效果；
四是潛在的過熱會更加均勻地分佈在整個磁體中，有助於防止局部損傷，增強磁體的整體穩定性和安全性。
另一個關鍵就是氧化釔鋇銅（YBCO）膠帶，這是一種革命性的高溫超導材料，可以在液氮溫度（-196℃）下工作，並且可以承載很大的電流，從而在更小的空間裏產生更強的磁場。麻省理工從2018年開始，就將全球大部分4毫米高溫超導膠帶都買了下來，長達300公里，最後繞成了16個線圈，製造了一個可以環繞託卡馬克裝置的環形磁場。
然而想法再大膽，能不能成還是要實踐出真知。2021年9月5日，麻省理工PSFC的實驗室裏一片歡騰，因爲科學家們實現了一個重要的里程碑，這種高溫超導材料製成的新型磁體，創造了大型磁鐵磁場強度新的世界紀錄：令人瞠目結舌的20 特斯拉，而且非常地穩定均勻。這個強度是地球磁場的40萬倍，可以直接將一艘航空母艦擡出水面！
在接下來的幾個月內，研究人員拆解了磁體的每一個組件，仔細審視數百個儀器記錄的數據，並進行了兩次極限測試，以檢驗他們最大膽的想法——去掉絕緣材料，讓高溫超導帶“全裸”運行是不是完全可行。
研究人員故意製造極端條件，突然切斷全部電源，這時候由於超導體的零電阻特性，磁體內部仍然可以維持一個持續的強大電流。但如果部分磁體因爲外部條件變化而過熱或受到機械應力，就可能超越臨界溫度或臨界磁場，導致超導性喪失成爲正常阻性狀態，從而開始產生熱量。這時候磁體內部電流仍在流動並且很大，很容易導致局部溫度升高，如果無法有效散熱，就可能發生災難性的過熱，進而導致磁體結構的損壞，這種現象被稱爲淬火。
最終在16個磁體中，只有一個磁鐵有一個角發生了熔化，科學家們據此重新進行了設計，從而可以保證在最極端的情況下，磁體也不會再受到損傷，這意味着他們異想天開，大膽去除絕緣材料，讓超導帶“裸奔”的設計，不僅理論上可行，實際上也是完全行得通的。PSFC前主任，美國工程教授丹尼斯·懷特稱，這是“過去 30 年聚變研究中最重要的事情”。
這兩項革命性的技術創新和突破，意味着麻省理工正在建造的Sparc託卡馬克裝置，將有可能在體積和成本都只有國際熱核聚變裝置1/40的情況下，也就是直徑只有3.7米的情況下，將2億K的高溫等離子體維持10秒鐘，實現140MW的聚變功率輸出，達成Q值2-11的既定目標。這個Q值差不多就是ITER的目標，只是ITER的輸出是500MW，維持時間400秒。
但Sparc還只是演示機，麻省理工最終的目標是打造一臺直徑6.6米的ARC聚變反應堆，這個尺寸只有ITER一半，但Q值會達到13.6，輸出270MW聚變能。最重要的是，它的成本可能只是ITER的一小部分，隨着絕緣材料的取消，裝置還可以做得更緊湊，性能更強，這意味着成本還可能進一步降低。目前這個項目已獲得超過20億美元的私人資本投資，包括意大利埃尼集團、比爾蓋茨的突破能源、淡馬錫控股等。
不得不說，麻省理工團隊太大膽了，竟然想出了可能很多人想都不敢想的讓超導帶“裸奔”的設計，這不僅是思維上的一次突破，更帶來了技術上的巨大飛躍和核聚變的重大進步。其實不光麻省理工，一些處於核聚變突破邊緣的團隊，他們的想法和設計也是令人驚歎，嘖嘖稱奇的。比如2028年要向微軟提供核聚變電的Helion，他們是把磁性約束和慣性約束結合起來，通過等離子體磁場直接發電，連鍋爐燒水的環節都省了。
這項研究的6篇論文，以同行評論的形式發表在《IEEE應用超導彙刊》3月號的特刊上，包括磁體設計和製造、性能評估及檢測、經驗教訓等，有興趣的朋友可以去看看。
