测试表明高温超导磁体已做好聚变准备

2021年9月5日黎明时分，工程师们在麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（PSFC）的实验室实现了一个重大里程碑，一种由高温超导材料制成的新型磁体实现了20特斯拉的世界纪录磁场强度。这是建造一座聚变发电厂所需的强度，预计该发电厂将产生净发电量，并有可能开创一个几乎无限发电的时代

测试立即被宣布成功，满足了被称为SPARC的新型聚变装置设计的所有标准，磁体是该装置的关键技术。当疲惫的实验人员团队庆祝他们的成就时，香槟瓶塞爆裂了，他们辛苦工作了很长时间才使这一成就成为可能

但这还远远没有结束。在接下来的几个月里，该团队拆开并检查了磁铁的部件，仔细研究并分析了数百台记录测试细节的仪器的数据，并在同一块磁铁上进行了两次额外的测试，最终将其推向崩溃点，以了解任何可能的故障模式的细节

所有这些工作现在都在PSFC和麻省理工学院附属公司联邦聚变系统（CFS）的研究人员的一份详细报告中达到了顶峰，该报告发表在《IEEE应用超导汇刊》3月刊的特刊上，共有六篇同行评审论文

这些论文共同描述了磁体的设计和制造以及评估其性能所需的诊断设备，以及从该过程中吸取的教训。研究小组发现，总的来说，预测和计算机建模都很准确，验证了磁铁独特的设计元素可以作为聚变发电厂的基础

在9月5日的演示之前，现有最好的超导磁体足够强大，有可能实现聚变能，但其尺寸和成本永远不可能实用或经济可行。然后，当测试显示这种尺寸大大缩小的强磁体的实用性时，“一夜之间，它基本上在一天内将聚变反应堆的每瓦成本提高了近40倍，”怀特说

“现在聚变有机会了，”怀特补充道。托卡马克是实验聚变装置中使用最广泛的设计，“在我看来，它有可能是经济的，因为根据已知的约束物理规则，你的能力发生了量子变化，可以大大降低聚变物体的尺寸和成本。”，正如六篇新论文中详细介绍的那样，已经证明新一代聚变装置的计划——由麻省理工学院和CFS设计的，以及其他商业聚变公司的类似设计——是建立在坚实的科学基础上的

Fusion，即将轻原子结合形成较重原子的过程，为太阳和恒星提供动力，但事实证明，在地球上利用这一过程是一项艰巨的挑战，需要数十年的艰苦工作和数十亿美元的实验设备支出

长期寻求但从未实现的目标是建造一座产生比消耗更多能量的聚变发电厂。这样的发电厂在运行过程中可以在不排放温室气体的情况下发电，并且产生很少的放射性废物。聚变的燃料，一种可以从海水中提取的氢气，实际上是无限的

但要使其发挥作用，需要在极高的温度和压力下压缩燃料，由于没有已知的材料能够承受这样的温度，燃料必须通过极强的磁场固定在适当的位置。产生如此强的磁场需要超导磁体，但以前所有的聚变磁体都是用超导材料制成的，这种材料需要绝对零度以上约4度的低温（4开尔文，或-270°C）

在过去的几年里，一种新的材料被称为REBCO，用于稀土钡铜氧化物，被添加到聚变磁体中，并使它们能够在20开氏温度下工作，尽管温度只高出16开氏温度，在材料性能和实际工程方面带来了显著的优势。

利用这种新型高温超导材料不仅仅是在现有磁体设计中取代它的问题。相反，怀特说：“这是对几乎所有用于制造超导磁体的原理的重新设计。”。新的REBCO材料“与上一代超导体大不相同。你不仅要适应和更换，而且要从头开始创新。”《IEEE应用超导学报》上的新论文描述了重新设计过程的细节，现在专利保护已经到位

一项关键创新：无绝缘

其中一项引人注目的创新是消除了形成磁体的薄而平的超导带周围的绝缘，这让该领域的许多其他人对其成功的机会持怀疑态度。与几乎所有的电线一样，传统的超导磁体都受到绝缘材料的充分保护，以防止电线之间短路。但在新的磁铁上，胶带完全裸露着；工程师们依靠REBCO更大的导电性来保持电流