世界上最强的核聚变磁铁将为核追求带来新的动力

在核聚变领域，一些人正在追求清洁的、取之不尽的能源，比如将七层楼高的建筑拼凑起来以容纳世界上最大的托卡马克反应堆（ITER）。与此同时，其他人正在研究更紧凑、更实惠的设计，以期推动技术向前发展。现在，麻省理工学院科学家的一项新突破证明了，一些最大的进步可能来自这些规模较小的项目。该团队揭示了一种创纪录的超导磁铁，这是世界上同类产品中最强大的。

上图：一个新的磁铁打破了记录，磁场强度达到了20特斯拉。

这种新型磁铁的开发由麻省理工学院的科学家们领导，他们在2015年首次公布了一种实验性聚变反应堆设计。该反应堆称为“ARC”（价格合理的、坚固的、紧凑的），是一个甜甜圈形状的托卡马克，就像ITER一样，试图重现我们太阳内部的条件，即氢原子在极端高温和压力下聚变，释放出大量清洁能源。然而，ARC 的大小只有 ITER 的一半，半径仅为 3.3 m。

无论是 ITER、ARC 还是像德国的 Wendelstein 7-X 仿星器一样扭转和转动的聚变反应堆，其物理原理和总体目标基本相同。 氢同位素氘和氚被引入腔室，并经过过热以形成旋转的等离子体，然后需要将等离子体悬浮起来，防止它转向墙壁或任何固体。要做到这一点，磁铁是关键。

无论是在 Wendelstein 7-X 中工作的错位磁线圈，还是在传统托卡马克中看到的整齐、重复的磁线圈序列，所有这些都旨在产生非常、非常强烈的磁场，以便能够将等离子体固定在适当的位置，使聚变反应发生。但是，研究 ARC 的科学家们一直在追求一种具有关键差异的磁铁技术。

上图：商用超导材料的线轴被用作破纪录磁体的基础。

ITER 依靠超导磁体来控制其等离子体，而这些低温磁体在冷却至 -269 °C (-452.2 °F) 左右时会变成超导。相反，ARC 科学家正在寻求使用他们所谓的高温超导体，这种材料可以在更小的空间内产生更高的磁场。该团队一直在使用一种市场上可以买到的商用磁带，这种磁带缠绕在卷轴上并展开成扁平带状，可以在较高温度下变得超导并产生更强的磁场。这在理论上可以更好地限制等离子体，因此反应堆可以变得更小，成本也更低。

以这种磁带为起点，麻省理工学院的科学家们与初创公司 Commonwealth Fusion Systems (CFS)合作，在过去的三年中一直试图将其变成一种高功率磁铁，用于一种名为“SPARC”的演示设备，这是一个 ARC 测试平台，尺寸大约是它的一半大小。该团队的最终产品是一种磁体，它使用267公里(166英里)的超导磁带形成16块板，这些板堆叠在一个D形的盒子里。这个磁铁被冷却至 -253.15 °C (-423.7 °F) 左右，此时它将会变成超导状态，并产生强大的磁场。

CFS 运营主管乔伊·邓恩（Joy Dunn）说：“我们制造了首创的超导磁体。但创造独特的制造工艺和设备还需要大量的工作。因此，我们现在已经为SPARC的生产做好了充分的准备。 我们从一个物理模型和一个 CAD 设计开始，经过大量的开发和原型设计，将纸上的设计变成了这个真正的物理磁铁。”

上图：科学家们建造并测试了世界上最强大的聚变磁铁。

在测试中，研究小组逐渐提高超导磁体的强度，直到它产生了破纪录的20特斯拉磁场，使它成为有史以来用聚变磁体产生的最强磁场。

在发表了一系列证明SPARC可行性的物理论文后，该团队将其新磁体视为拼图中缺失的一块，称该磁体使其能够获得与使用低温超导磁体的40倍于其大小的反应堆中的磁场相等的磁场。

麻省理工学院的科学家说：“我们要填补的是使用传统等离子体物理、传统托卡马克设计和工程，但引入新的磁体技术。所以，我们不需要在六个不同的领域进行创新。我们只会在磁铁上进行创新，然后应用过去几十年学到的知识基础。”

上图：艺术家对SPARC演示装置的描绘。

就目前而言，没有任何聚变反应堆能够产生超过其运行所需的能量，实现这种“收支平衡”将是一个历史性时刻。凭借强大的新磁铁，科学家们相信他们已经朝着这个目标迈出了重要的一步。

麻省理工学院负责研究的副总裁说：“我现在真的很乐观，SPARC 可以根据磁铁的性能实现净正能量。下一步是扩大规模，建造一座真正的发电厂。”前方仍有许多挑战，其中最重要的是开发一种可靠、持续运行的设计。这里的目标是商业化，另一个主要挑战将是经济。如何设计这些发电厂，怎样建造和部署它们才能具有成本效益是关键。

预计，SPARC计划于2025年完工。

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