麻省理工學院開發(fā)托卡馬克，新型磁鐵強度幾乎是國際熱核聚變實驗反應堆同類磁體的兩倍

在2021年12月初的一個陰天，一輛黃色的運土車從美國馬薩諸塞州德文斯的一個深坑邊緣舀出泥土，這里是距離波士頓約50英里的一個舊陸軍基地的所在地。

這里是SPARC的未來之家，一個核聚變反應堆的原型，如果一切進行順利，將實現(xiàn)一個近一個世紀以來物理學家都無法實現(xiàn)的目標。它將從原子聚變中產(chǎn)生更多的能量，比實現(xiàn)和維持這些反應所需的能量更多，這與太陽產(chǎn)生能量的原理相同。

SPARC是由Commonwealth Fusion Systems（下稱CFS）與麻省理工學院等離子科學與融合中心合作開發(fā)的托卡馬克。托卡馬克，又稱環(huán)磁機，是一種利用磁約束來實現(xiàn)磁約束聚變的環(huán)型容器。

CFS的科學家們預計，到2025年的某個時間點，他們的機器將突破這個門檻，產(chǎn)生的能量是其消耗的10倍。他們說，這一示范將使這家初創(chuàng)公司能夠在21世紀30年代早期開發(fā)出能夠提供與小型煤廠一樣多電能的正常尺寸的設備。

利用核聚變的設備可從豐富的燃料來源中提供廉價的無碳能源，這些燃料主要來自水。最重要的是，核聚變將產(chǎn)生持續(xù)、穩(wěn)定的電流，在太陽能和風能消失的幾小時、幾天、甚至幾周內(nèi)填補空白。這樣一來，它將簡化通向零排放電力的道路，消除對能源儲存突破性技術(shù)的需求，消除對昂貴的電池系統(tǒng)的需求，以及持續(xù)的對煤炭和天然氣工廠的依賴以維持企業(yè)運作。

然而，實現(xiàn)核聚變的技術(shù)復雜性和巨大成本一再使科學家的希望破滅，并使懷疑論者的立場更加堅定。長期以來，該領域?qū)ψ罱K提供凈能源的反應堆的最大希望是國際熱核聚變實驗反應堆，這是一個在20世紀80年代首次構(gòu)想出來的國際研究合作。但是，它在法國南部占地約100英畝的設施的成本已經(jīng)增加了兩倍多，上升到至少220億美元。該項目已經(jīng)拖延了十多年，距離完成還有好幾年。而且，即使國際熱核聚變實驗反應堆最終成功，所研發(fā)的核聚變技術(shù)也可能成本太高，無法廣泛商業(yè)化。

CFS相信它可以提供一種與國際熱核聚變實驗反應堆截然相反的核聚變機器：體積小、建造快、成本更低。原型機應該花費數(shù)億美元，而不是數(shù)百億美元，并且需要幾年而不是幾十年的時間來建造。

技術(shù)的關(guān)鍵是這家初創(chuàng)公司開發(fā)的一種新型磁鐵。該領域正在密切關(guān)注這一努力，因為該團隊已經(jīng)通過使用一種新型的超導材料，來建造同類產(chǎn)品中最強大的磁鐵，取得了無可爭議的科學進步。在2021年9月的一次測試中，該磁鐵達到了20特斯拉的場強。它的強度幾乎是國際熱核聚變實驗反應堆同類磁體的兩倍，后者依靠的是早期的超導材料。

磁鐵可以用來限制等離子體，即發(fā)生核聚變反應的處于超熱狀態(tài)的物質(zhì)。這些磁鐵的威力越大，這樣就能在一個更小的空間內(nèi)產(chǎn)生更多的原子碰撞、反應和能量。用CFS的磁鐵陣列建造的核聚變裝置應該能夠產(chǎn)生與依靠國際熱核聚變實驗反應堆技術(shù)的核聚變裝置一樣多的能量，然而裝置的大小僅為1/40。

任何挑戰(zhàn)仍然可能絆倒CFS，或者至少使進度偏離其雄心勃勃的時間線。目前，還沒有人能夠讓核聚變反應堆產(chǎn)生凈能量。CFS的磁鐵還沒有在一個工作的反應堆中進行測試。簡而言之，聚變?nèi)匀皇且豁椄叨葘嶒炐院臀唇?jīng)證實的技術(shù)。

但是，在經(jīng)歷了幾十年的失望之后，也有了希望，那就是它可能成功。而且，該公司及其支持者至少相信，他們有望及時提供商業(yè)核聚變技術(shù)，使其在未來幾十年向無碳能源過渡的過程中發(fā)揮重要作用。麻省理工學院等離子體科學和核聚變中心主任、CFS的聯(lián)合創(chuàng)始人丹尼斯·懷特說：“大概在五年前，當我們在構(gòu)建這整個項目時，速度一直是很重要的”。

“最緊迫的事情是，你能及時準備好，以便在氣候變化方面產(chǎn)生影響嗎？”他說，“最大的風險是不能及時到達那里”。

與煤炭或天然氣工廠不同，聚變反應堆不會產(chǎn)生導致氣候變化的溫室氣體。同時，它們沒有燃料耗盡的真正風險，而且與獲取燃料相關(guān)的環(huán)境損失也較小。另外，與它的“近親”核裂變不同，聚變不需要開采或管理放射性鈾。

相反，CFS的機器，像大多數(shù)其他核聚變反應堆一樣，將依靠氘和氚，這是兩種氫的天然同位素。

海洋中充滿了氘，美國能源部指出，海水中每5000個氫分子中有一個是由氘組成的，并且一加侖氘可以產(chǎn)生相當于300加侖汽油的能量。

從水中提取氘的方法已經(jīng)確立，而且是常規(guī)方法。氚，其原子核中含有兩個中子，而氘只有一個，在自然界中更為罕見，但它可以從鋰中提取。

與風能和太陽能等可再生能源相比，核聚變可以在更小的范圍內(nèi)產(chǎn)生更多的能量，而且它可以提供一個永遠在線的電力來源，不因天氣或一天中時間的變化而下降。

這種所謂的基本負載功率對可靠的電網(wǎng)是必不可少的，對它的需求是電力部門難以擺脫化石燃料的一個關(guān)鍵原因?！澳壳暗目稍偕茉聪到y(tǒng)是好的也是必要的，但不足以解決氣候變化問題，”CFS的聯(lián)合創(chuàng)始人和首席科學家布蘭登·索爾本說道，“需要在這個組合中加入一種清潔的基載形式的電力。我們認為這個大的問題也需要‘大錘子’去解決，這就是核聚變?！?/p>

幾十年來，許多人都設想過核裂變會發(fā)揮這樣的作用，而且許多人仍然這樣想。但是，許多公眾和許多國家都拒絕了它，因為裂變反應堆的建造成本很高，很容易超過50億美元，還有真實的和潛在的危險，包括對不斷增加的放射性廢物的擔憂。相比之下，核聚變沒有熔斷風險，避免了像切爾諾貝利、三里島和福島等災難的威脅。

氚具有放射性，聚變過程會釋放中子，這兩點都需要嚴格的安全協(xié)議來處理材料，并最終正式停止使用核電站工廠。但是，核聚變不會像裂變反應堆那樣產(chǎn)生長期的放射性廢物。

希望較低的風險將使其更快、更容易獲得監(jiān)管部門的批準和施工許可，一旦該技術(shù)確實可行，將加速其推廣。

不同研究小組在試圖模仿太陽的能量來源時采取了不同方法，但是他們都從產(chǎn)生大量的熱量開始，溫度超過1億攝氏度。

與國際熱核實驗反應堆及其他項目一樣，CFS計劃建造所謂的托卡馬克反應堆，這是一個空心的甜甜圈形狀的裝置，將填充包括氘和氚原子的氣體。該裝置將通過給那些超強磁鐵供電，利用電流產(chǎn)生電阻式加熱，然后應用無線電波來穩(wěn)定地提高溫度。

當溫度上升到足夠高時，由于電子從原子核中被推開，原子開始破裂，從而形成了等離子體。電子和帶正電的原子核在托卡馬克的內(nèi)部移動。

環(huán)繞托卡馬克的磁鐵形成了一個“磁瓶”，緊緊地包含著等離子體，較高的磁場大大減少了熱損失。兩個核子偶爾會有效地相互碰撞，質(zhì)子和中子有時會結(jié)合起來，形成一個氦原子的原子核，釋放出一個中子并產(chǎn)生大量的能量。

在太陽中，這些反應產(chǎn)生的熱量是自我維持的，從而帶來更多的碰撞和聚變，并且一直持續(xù)下去。但核聚變產(chǎn)業(yè)并不一定要達到這一點，即所謂的點火，才能創(chuàng)造出有利可圖的發(fā)電廠。反應堆只需要讓產(chǎn)出比所需的投入更多，具體數(shù)量取決于設施的基本成本。

該領域的普遍觀點是，研究小組已經(jīng)解決了生產(chǎn)核聚變能源所需的硬核科學問題，即使這一科學問題不是很具有一般性。大多數(shù)人認為，一旦國際熱核聚變實驗反應堆最終上線并滿負荷運行，它至少能夠產(chǎn)生有意義的凈能量。

但是，建造一臺能夠達到這些條件的巨型機器的復雜性和成本已經(jīng)阻礙了核聚變的發(fā)展。盡管國際熱核聚變實驗反應堆于2007年開始建造，但它計劃到2035年才完全投入使用，比原定計劃晚了十多年。而且有些人認為，最后的價格將遠遠高于現(xiàn)在估計的220億美元。

CFS采用的是與國際熱核聚變實驗反應堆相同的基本聚變科學;真正的區(qū)別在于磁鐵。排列在國際熱核聚變實驗反應堆內(nèi)的11.8特斯拉的主要磁體是由超導鈮鈦或鈮錫材料制成的，這需要極低的溫度。CFS利用了所謂的高溫超導體，它具有幾個關(guān)鍵的優(yōu)勢，這可能會在經(jīng)濟上和時間線上產(chǎn)生差異。

科學家們早就知道，某些材料在特定條件下可以無阻力導電，允許電子自由流動，而不會在這個過程中釋放出熱量或失去其他形式的能量。這使得高電流能夠在這些所謂的超導體周圍產(chǎn)生強磁場。

為了使汞和鉛等早期超導材料達到這種狀態(tài)，研究人員必須將它們冷卻到接近絕對零度，或大約-460°F，但這一操作需要使用液氦，從而限制了實際應用。

但是在20世紀80年代，研究人員發(fā)現(xiàn)了一類陶瓷，它們在相對更高的溫度下變得超導，盡管仍然溫度較低大約為一280°F。這聽起來可能差別不大，但它可以用液氮實現(xiàn)，且液氮更便宜，更容易處理。

俄亥俄州立大學超導和磁性材料中心副主任邁克·桑普森說，這些高溫超導體也可以創(chuàng)造出更強大的磁場。物理學家們開始夢想著他們所認為的這些材料很快就能衍生出的新技術(shù)，如懸浮列車、超高分辨率的核磁共振成像，以及非常強大的磁鐵。

但是，高溫超導體的工作極其困難。幾十年后，制造商才想出了如何將其制造成長線，這需要制造高度排列的晶體，并將它們均勻地鋪在金屬基底上，形成微米級的薄層。

2009年，麻省理工學院的丹尼斯·懷特偶然發(fā)現(xiàn)一位同事拿著一捆類似膠帶的材料穿過走廊。那是高溫超導線材的早期原型，由釔鋇銅氧化物材料制成。懷特立即意識到它在核聚變中的應用潛力，并在他的一門課程中分配給研究生一個任務，即利用磁帶可能產(chǎn)生的強大磁場，設計一個緊湊的反應堆。

設計工作蔓延到麻省理工學院等離子體科學和聚變中心的后續(xù)課程和研究工作。

2015年，參與的研究人員設計了一個使用新材料的緊湊型核聚變工廠，可以產(chǎn)生200兆瓦的電力。他們將其命名為ARC即《鋼鐵俠》漫畫中托尼一斯塔克虛構(gòu)的聚變反應堆的名字。

2018年，該團隊籌集了數(shù)千萬美元的私人資金，并分拆出CFS公司，繼續(xù)與麻省理工學院緊密合作。

那時，這種高溫超導線材已經(jīng)商業(yè)化。但這只是創(chuàng)建該公司所需的磁鐵的起點：它必須是強大的、節(jié)能的和可靠的，同時還要在中間設計一個大的“孔”或洞，以便為等離子體提供空間。

該團隊不得不與少數(shù)制造商密切合作，以確保足夠的磁帶供應（因為僅第一個磁鐵測試就有幾百英里），同時根據(jù)他們的目的進行優(yōu)化。

一旦這些材料符合他們的規(guī)格，他們?nèi)匀恍枰獙⑺鼈冝D(zhuǎn)化為一個巨大的磁鐵。這首先需要將一層層的薄磁帶堆積成一個厚實的、可承載必要電流的集成堆棧。在早期發(fā)表的一篇論文中，研究人員描述了一種方法，通過將幾十到幾百層磁帶纏繞和焊接在一起來創(chuàng)造一條電纜。

該公司拒絕討論他們?nèi)绾蝿?chuàng)建現(xiàn)在使用的超導磁帶堆的特殊細節(jié)。但是為了把它變成測試用的磁鐵，研究小組需要將這些磁鐵層卷起來，使其對齊從而增強磁場，就像你在小學時可能將銅線纏繞在釘子上，并將其與電池連接起來以創(chuàng)造一個電磁鐵一樣。CFS搭建了16層磁鐵，研究人員稱之為煎餅，每層都有16圈的線圈。然后他們把這些煎餅堆在一起，用適當?shù)慕宇^連接起來，創(chuàng)造了一個重10噸、高8英尺、D形的超級磁鐵，里面裝著盤繞了256圈長達165英里的超導磁帶。

2021年夏天，麻省理工學院和CFS的研究人員將磁鐵放置在一個橢圓形的試驗臺上，旨在重復托卡馬克的工作條件。8月下旬，他們開始了長達一周的準備，將磁鐵冷卻到低溫，疏散它周圍的真空室，并在高壓下慢慢加入氦氣。

一旦溫度足夠低，該團隊就開始給磁鐵充電。

科學家們坐在相鄰的一間控制室里，他們將磁場強度推得越來越高的同時，也監(jiān)控著屏幕上的數(shù)據(jù)。2021年9月5日黎明前，研究小組的大部分成員，以及麻省理工學院的領導和這家初創(chuàng)公司的財政支持者都聚集在這個房間里。早上6點左右，研究小組終于將磁鐵推到20特斯拉（T）以上，打破了大口徑高溫超導電磁鐵的記錄。

“當它超過20特斯拉時，什么也沒有發(fā)生，這讓我欣喜若狂，”懷特說?！俺藲g呼聲外，什么也沒有發(fā)生?！?/p>

SPARC，即CFS公司目前正在德文斯建造的原型反應堆，將包括18個這樣的強大磁鐵，圍繞著托卡馬克并產(chǎn)生磁場，將等離子體緊緊地控制在其中。CFS團隊在2020年9月共同撰寫的一篇論文中計算出，該原型反應堆產(chǎn)生的能量可能是其消耗的11倍之多。

索爾本堅持認為，磁鐵測試曾是CFS面臨的主要工程障礙。他說，現(xiàn)在的主要的問題變成了執(zhí)行。

其他研究實驗室和初創(chuàng)公司也在匯報核聚變的進展。但是，盡管正在取得科學進展，許多專家仍然懷疑我們會像CFS和其他公司所認為的那樣迅速看到工作的商業(yè)反應堆。

尚未有實驗室從核聚變中產(chǎn)生凈能量，更不用說可以在數(shù)月內(nèi)產(chǎn)生廉價、穩(wěn)定、可靠的電力的持續(xù)反應。

倡導利用核能解決氣候變化問題的良好能源集體組織的創(chuàng)始人杰西卡·洛弗林認為，核聚變并不像一些人所說的那樣迫在眉睫。“很多這些公司都說他們會在5年或10年內(nèi)展示，”她說，“我認為這更像是一種承諾，以幫助他們獲得投資。這就是我們在各種技術(shù)中看到的標準的技術(shù)炒作。”

該技術(shù)還將面臨監(jiān)管挑戰(zhàn)，新興產(chǎn)業(yè)當然希望聚變反應堆將被證明比裂變反應堆更容易獲得許可和建造，因為裂變反應堆的建造可能需要10年時間。

瑞秋·斯萊博格說，核聚變并非沒有風險。直到最近她還是加州大學伯克利分校的核工程教授。

與核裂變工廠一樣，小型聚變反應堆在錯誤的人手中可能被用來生產(chǎn)可為武器提供動力的放射性材料。而且，仍然有可能發(fā)生嚴重的工業(yè)事故，例如，當反應堆的主要部件在真空中運行時，會出現(xiàn)極端的壓力差。

斯萊博格說，即使風險比與裂變相關(guān)的風險要小，它們也將需要監(jiān)管審查和安全標準。她說：“在獲得核聚變技術(shù)之后，可能會有這樣的認識：‘哦，仍然有輻射和安全隱患’?！彼龘模瓣P(guān)于超級便宜的電能的承諾在它實現(xiàn)之后將變得不那么美好”。

加州大學伯克利分校研究核聚變反應堆設計的教授愛德華·莫爾斯說，前面還有真正的技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，CFS仍然需要測試當所有18個磁體一起運作時，這些組件在更大的壓力下是如何保持穩(wěn)定的。

“它可能因為各種難以解釋的原因而失敗?！彼f。

莫爾斯一直對核聚變初創(chuàng)公司持批評態(tài)度，認為有些公司只是在重復能源部實驗室?guī)资昵耙驗槟承┰蚓头艞壍呐f想法。但是，他認為CFS公司比該領域的大多數(shù)公司有更好的機會，正是因為它沒有對核聚變采取完全不同的方法。

“他們保留了傳統(tǒng)的托卡馬克方法，但用新型的材料代替了磁鐵。”他說?！斑@就是我喜歡的計劃;一次只能有一個重大的飛躍?！?/p>

在德文斯47英畝的場地上，在將建造SPARC的那個坑附近，工作人員已經(jīng)搭建起了一個工廠的框架，該工廠將為原型反應堆大量生產(chǎn)磁鐵。

CFS希望在未來三年內(nèi)從該機器中產(chǎn)生凈電力，但該工廠的生產(chǎn)能力是根據(jù)全尺寸設施而設計的，而這一設施，即ARC發(fā)電廠，預計在21世紀30年代早期完成。在未來的操作中，產(chǎn)生的熱能將通過與核裂變反應堆或煤廠相同的基本過程轉(zhuǎn)化為電力：通過將水變成蒸汽，使渦輪機旋轉(zhuǎn)。

11月底，這家初創(chuàng)公司宣布它已經(jīng)籌集了18億美元的風險資本，為建造SPARC和開始商業(yè)設施的工作提供了資金。該公司已開始與潛在客戶就廠址進行早期對話，并與監(jiān)管機構(gòu)就此類工廠的許可和經(jīng)營所需的條件進行溝通。

“我們需要假設這一次的成功，并想出如何繼續(xù)前進，”懷特說。“按部就班的等待是不會成功的。”

這種不耐煩源于這樣一個事實，即如果核聚變發(fā)電要在應對氣候變化中發(fā)揮任何重要作用，就必須盡快做好準備。

世界需要在未來幾十年內(nèi)消除電力帶來的污染，并在本世紀中葉左右停止幾乎所有的溫室氣體排放，以有機會阻止非常危險的全球變暖。實現(xiàn)這些目標還意味著需要生產(chǎn)更多的電力，以滿足來自插電式汽車以及家庭、建筑和工廠的不斷增長的需求，這些家庭、建筑和工廠將更加依賴電力來取暖、制冷和用作其他用途。

對一些人來說，這些時間線所呈現(xiàn)的不可更改的事實意味著我們不能寄希望于一項尚未被證明的技術(shù)，更不用說大規(guī)模的商業(yè)化。但洛弗林說，即使核聚變不能在電能生產(chǎn)達到零碳排放之前進入市場，一個廉價、穩(wěn)定、充足的電力來源仍將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

“這個問題不會在2050年停止，”她說，“我們?nèi)匀粫胁粩嘣鲩L的能源消耗;我們?nèi)匀粫薪?jīng)濟迅速增長的國家。雖然核聚變可能會更久，但仍然需要它?！保ňC合整理報道）（編輯/華生）