利用可控核聚變發電是人類一直以來的夢想，現在，它沒那麽遙遠了。
核聚變能具有資源豐富、無碳排放和清潔安全等突出優點，是人類未來理想的清潔能源之一。如果可控核聚變發電技術得以實現，人類的能源焦慮將得到極大緩解，對太空的探索也將更加深入。
科幻小說《三體》中對於可控核聚變實現之後的描述。
最近，一個新超導磁體的出現，讓人類在核聚變發電之路上又前進了一步。
在 9 月 8 號的一個在線新聞發布會上，美國新能源初創公司 Commonwealth Fusion Systems（簡稱
CFS）公布了一個長 2 米、寬 1 米的 D 型電磁體，並表示它產生的磁場大約是地球自然磁場的 50
萬倍，是任何類似超導磁體強度的兩倍。基於此，他們有望在 2025
年之前建成一個相對較小的聚變發電站原型，盡管還有很多其他挑戰需要克服。
CFS 成立於 2017
年，衍生於美國麻省理工學院，致力於開發由特殊高溫超導材料製成的磁體，這種磁體可以產生兩倍於傳統超導磁體強度的磁場。
新磁體測試的成功，標誌著該公司取得階段性勝利。等離子體物理學家、CFS 的聯合創始人兼首席執行官 Bob Mumgaard
表示：「我們 3 年前甚至不知道是否存在這樣一個磁體，但現在我們已經擁有了它」。
聚變反應堆（托卡馬克）旨在捕獲氘和氚的原子核聚變產生氦和高能中子時釋放的能量。為了做到這一點，托卡馬克依靠強磁場將超熱電離氣體或等離子體困住並擠壓在一個甜甜圈形狀的真空室中。然而，研究人員還沒有建成一個產能大於耗能的托卡馬克，而且他們一直認為這樣的反應堆需要很大才能達到產能
– 耗能平衡。例如，多國聯合在法國建造的國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）就有一個高 11 米、寬 19
米的真空室，它的目標就是讓產能大於耗能。
CFS 的研究人員表示，他們的新磁體可以大大縮小托卡馬克的尺寸，因此更便宜、更容易建造。
在構建這種磁體時，CFS 的研究人員采用的是由高溫超導體稀土氧化鋇銅（barium copper
oxides）組成的線圈，而不是像铌錫（niobium
tin）這樣的普通超導金屬。當超導體冷卻到接近絕對零度時，隻要電流和磁場不太大，它就可以無電阻地傳輸電流。高溫超導體之所以被稱為高溫超導體，是因為它們在相對溫和的溫度下進行超導，一些溫度高於液氮（77
開爾文以上）的超導體可以比傳統超導體承受更高的磁場。
研究磁體的 MIT 等離子體物理學家兼工程師 Brian LaBombard
表示，主要的挑戰是設計一種磁體，使其能承受磁場本身對載流線圈產生的巨大機械應力，你也可以把它想象成給氣球加壓。普通超導體可以做成堅固的電線，然後繞成一個線圈，但高溫超導體采用的是相對脆弱的磁帶（tape）。因此，為了開發新磁體，CFS
的研究人員提出了一種設計，將薄層磁帶夾在更堅固的金屬層之間。LaBombard
表示：「你需要盡可能多地使用金屬，而我們的設計正在將其推向極限。」
在最近的測試中，新磁體產生了大約 20 特的磁場，持續 5 小時，並且 CFS
研究人員表示他們可以無限期地維持磁場。有了新磁體，該公司表示他們正準備為下一個目標努力：開發一種名為 SPARC 的原型反應堆，就像
ITER 一樣，旨在證明托卡馬克產生的能量大於消耗的能量。在 SPARC 中，研究人員將使用 18 個線圈環繞環形真空室，就像這個
20 特的原型一樣。
然而，一個磁體本身並不能構成托卡馬克。去年，美國國家科學院、工程院和醫學院的一份報告發現：為了在 2040
年使原型聚變發電站成為現實，該領域要克服的技術挑戰仍然非常多。其中需要有能夠承受來自等離子體的熱量和中子轟擊的材料，以及要找到從真空室排出熱氦氣的更好方案。
Mumgaard 也讚成這些問題必須解決，但他同時也認為：在強磁場下的緊湊型托卡馬克中，這些問題解決起來都將更加容易。
MIT 的等離子體物理學家兼工程師 Dennis Whyte
表示：「新磁體可能標誌著所有聚變開發人員對未來反應堆的設想發生了翻天覆地的變化。」
「瓶子」裏的太陽
聚變是為太陽提供能量的過程，即兩個小原子合並成一個大原子，並且釋放出巨大的能量。但這一過程所需要的溫度遠遠超過任何固體材料所能承受的溫度。要想在地球上捕獲太陽的能量源，我們需要的是一種捕獲和容納高溫物質的方法，這個溫度高達
100,000,000 以上，方法是讓物質懸浮起來，避免接觸任何固體。
這是通過強磁場來實現的。磁場就像一個無形的瓶子，裏麵裝著熾熱的旋轉質子和電子湯，即等離子體。由於這些粒子帶有電荷，容易受到磁場的強烈控製，可以使用托卡馬克裝置容納它們。這些設備中的大多數都是使用銅製成的傳統電磁體產生磁場，但法國正在建設的
ITER 使用的是低溫超導體。
MIT-CFS
聚變設計的主要創新是使用了高溫超導體，這使得在更小的空間中可以產生更強的磁場。幾年前，一種新型超導材料上市，使這種設計成為可能。這個想法最初來自
Whyte 教授核工程課程中一個課堂項目。該想法似乎很有希望，在接下來的幾次迭代中繼續發展。2015 年初，研究者提出了 ARC
發電站的設計概念。SPARC 的設計尺寸約為 ARC 的一半，是一個試驗台，用於在建造全尺寸發電站之前證明這一概念。
到目前為止，要想獲得強大的磁場，創造一個能夠容納加熱到數億度的等離子體的磁「瓶」，唯一的方法就是把它們變得越來越大。但新型高溫超導材料以扁平、帶狀的形式製成，使得在較小的設備中獲得更強大的磁場成為可能，與使用傳統低溫超導磁體的體積大
40 倍的設備的性能相當。這種功率與尺寸之間的飛躍是 ARC 革命性設計的關鍵因素。
新的高溫超導磁體的使用，使得從托卡馬克實驗操作中獲得的幾十年的實驗知識得以應用，此外還有益於 MIT 的 Alcator
項目。Alcator 是 MIT 首席研究員 Zach Hartwig、核科學與工程職業發展助理教授 Robert N. Noyce
領導的一項新研究，采用了一種著名的設計，由於磁場變強，他們可將所有部件的尺寸縮小到線性尺寸的一半左右，並且仍能達到相同的操作條件。
去年研究者發表的一係列科學論文證實了這個新聚變裝置的可行性。論文表明，如果磁體按預期工作，整個聚變係統確實會產生淨功率輸出，這是幾十年來聚變研究的第一次。
PSFC 的副主任和高級研究科學家 Martin Greenwald
表示：「和其他聚變實驗設計不同，我們的研究定位是使用傳統的等離子物理學、傳統的托卡馬克設計和工程，但將新的磁體技術引入進來。因此，我們不需要在多個不同的領域進行創新，而是專注於磁體，然後應用過去幾十年學到的知識。」
「這是一個重要時刻，
由於對這些機器進行了數十年的研究，我們現在擁有一個在科學上非常先進的平台，而且在商業上也非常有趣。它的作用是讓我們能夠更快地構建更小的核聚變裝置，同時降低成本。」CFS
的首席執行官 Bob Mumgaard 說道。
概念證明
將這種新的磁體概念變為現實，是一個超大規模的工程，需要三年時間，進行密集設計、建立供應鏈和製造磁體，這些磁體最終可能需要由數千人生產。
CFS 運營主管 Joy Dunn
說：「我們製造了首創的超導磁體。創造獨特的製造工藝和設備需要大量的工作。現在，我們已經做好了加速 SPARC
創建進程的準備。我們從一個物理模型和一個 CAD
設計開始，經過大量的開發和原型設計，將紙上的設計變成了真正的物理磁體。」這需要具備強大的製造能力和測試設施，其中涉及與多個超導帶材供應商共同推進的迭代過程，以幫助他們提高生產符合規格的材料的能力。
他們同時使用了兩種可能的磁體設計，最終都滿足了設計要求。Dunn
說：「最終兩種設計要比較的是哪一種會徹底改變製造超導磁體的方式，哪一種更容易製造。」他們采用的設計在這方麵非常突出。
在本次測試中，新磁體通過一係列步驟逐漸通電，直到達到 20 特磁場的目標 ——
這是高溫超導聚變磁體有史以來的最高場強。這塊磁體由 16 塊板疊在一起組成，每塊板本身就是世界上最強大的高溫超導磁體。
Mumgaard 說：「三年前，我們宣布了一項計劃，建造一個 20
特的磁體，這是未來聚變機器所需要的。」該目標現已按計劃實現。
下一步將是建造 SPARC，這是計劃中的 ARC 發電站的小規模版本。SPARC
的成功運行將證明一個全麵的商業核聚變發電站是可行的，將為快速設計和建造開創性裝置鋪平道路。
MIT 研究院副院長 Maria Zuber 說：「從新磁體的表現來看，SPARC
可以產生淨正能量，這讓我非常高興。我們下一步要做的是擴大規模，建造一座真正的發電站。前方仍有許多挑戰，其中最重要的是開發一種允許可靠、持續運行的設計。另外基於商業化的目標，還有一個主要的挑戰將是經濟，即成本效益。」
MIT 研究院副院長 Maria Zuber
讓核聚變發電成為未來清潔能源的核心是人們一直努力的目標，因此成功創建發電聚變裝置將是一項巨大的科學成就。正如 Zuber
所說：「在這條路上，我們沒有想過贏得任何獎勵，我們隻是在努力保持這個星球的宜居。」
華客新聞 | 時事與歷史：人類最終夢想之一,美國要造出來了:可控核聚變
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