麻省理工团队打造世界最强聚变磁体 产生的磁场是地球自然磁场50万倍

在核聚变领域，有些人正以追求清洁的、取用之不竭的能源而大干一场，比如那些将世界上最大的托卡马克反应堆——ITER——组装在一起的七层建筑。近日，麻省理工学院(MIT)科学家取得新突破，其团队揭示了创纪录的超导磁铁，世界上最强聚变磁体。它产生的磁场大约是地球自然磁场的50万倍，是任何类似超导磁体强度的两倍。

这种新型磁铁的开发是由麻省理工学院的科学家们主导的，他们在2015年首次公布了一种实验性聚变反应堆设计。该反应堆被称为ARC(价格合理、坚固、紧凑)，是一个甜甜圈形状的托卡马克反应堆，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的大小约为ITER的一半，半径为3.3米。

无论是ITER、ARC还是像德国温德尔施泰因7-X仿星器（Wendelstein 7-X stellarator）那样扭曲和旋转的聚变反应堆，其物理原理和总体目标基本上是相同的。氢同位素氘和氚被引入舱内，并经过过热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。

无论是在温德尔斯坦7-X中工作的错位的磁圈，还是在传统托卡马克中看到的整齐、重复有序的磁圈，所有这些都是为了产生超强烈的磁场，以便能够将等离子体固定在适当的位置，以使聚变反应发生。但研究ARC的科学家们一直在追求一种具有关键区别的磁体技术。

ITER依靠超导磁体来控制等离子体，这些低温磁体在冷却到-269°C(-452.2°F)左右时就会变成超导体。相反，ARC的科学家们正在寻找一种他们称之为高温超导体的材料，这种材料可以在更小的空间中获得更高的磁场。该团队一直在研究一种商用磁带，这种磁带在卷轴上，展开成扁平的带子，在更高的温度下变得超导，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。

麻省理工学院的科学家们和英联邦聚变系统公司(CFS)一起，用了三年的时间，试图把磁带变成一种高能磁铁，用于一个名为SPARC的演示设备，一个ARC的试验台，尺寸将是它的一半左右。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。这个磁体被冷却到-253.15°C(-423.7°F)左右，在这一点上它变成超导并产生一个强大的磁场。

“我们建造了第一种超导磁铁。”CFS的运营主管乔伊·邓恩说。“创造独特的制造工艺和设备需要大量的工作。因此，我们现在已经为SPARC的生产做好了充分的准备。我们从物理模型和CAD设计开始，经过大量的开发和原型工作，把纸上的设计变成了实际的物理磁铁。”

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。

鉴于已经发表了一系列的物理论文展示SPARC的可行性，研究小组认为新磁铁是拼图所缺失的一部分，与使用传统低温超导磁体的体积大 40 倍的设备的性能相当。。

“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。” 麻省理工学院的马丁·格林沃尔德说，“所以，我们不需要在六个不同的领域进行创新。我们只是在磁石上进行创新，然后应用过去几十年学到的知识基础。”

就目前情况来看，还没有聚变反应堆显示出能够产生超过运行所需的能量，而实现这种“收支平衡”将是一个历史性时刻。SPARC计划于2025年完工。