麻省理工学院开发托卡马克，新型磁铁强度几乎是国际热核聚变实验反应堆同类磁体的两倍
在2021年12月初的一个阴天，一辆黄色的运土车从美国马萨诸塞州德文斯的一个深坑边缘舀出泥土，这里是距离波士顿约50英里的一个旧陆军基地的所在地。
这里是SPARC的未来之家，一个核聚变反应堆的原型，如果一切进行顺利，将实现一个近一个世纪以来物理学家都无法实现的目标。它将从原子聚变中产生更多的能量，比实现和维持这些反应所需的能量更多，这与太阳产生能量的原理相同。
SPARC是由Commonwealth Fusion Systems（下称CFS）与麻省理工学院等离子科学与融合中心合作开发的托卡马克。托卡马克，又称环磁机，是一种利用磁约束来实现磁约束聚变的环型容器。
CFS的科学家们预计，到2025年的某个时间点，他们的机器将突破这个门槛，产生的能量是其消耗的10倍。他们说，这一示范将使这家初创公司能够在21世纪30年代早期开发出能够提供与小型煤厂一样多电能的正常尺寸的设备。
利用核聚变的设备可从丰富的燃料来源中提供廉价的无碳能源，这些燃料主要来自水。最重要的是，核聚变将产生持续、稳定的电流，在太阳能和风能消失的几小时、几天、甚至几周内填补空白。这样一来，它将简化通向零排放电力的道路，消除对能源储存突破性技术的需求，消除对昂贵的电池系统的需求，以及持续的对煤炭和天然气工厂的依赖以维持企业运作。
然而，实现核聚变的技术复杂性和巨大成本一再使科学家的希望破灭，并使怀疑论者的立场更加坚定。长期以来，该领域对最终提供净能源的反应堆的最大希望是国际热核聚变实验反应堆，这是一个在20世纪80年代首次构想出来的国际研究合作。但是，它在法国南部占地约100英亩的设施的成本已经增加了两倍多，上升到至少220亿美元。该项目已经拖延了十多年，距离完成还有好几年。而且，即使国际热核聚变实验反应堆最终成功，所研发的核聚变技术也可能成本太高，无法广泛商业化。
CFS相信它可以提供一种与国际热核聚变实验反应堆截然相反的核聚变机器：体积小、建造快、成本更低。原型机应该花费数亿美元，而不是数百亿美元，并且需要几年而不是几十年的时间来建造。
技术的关键是这家初创公司开发的一种新型磁铁。该领域正在密切关注这一努力，因为该团队已经通过使用一种新型的超导材料，来建造同类产品中最强大的磁铁，取得了无可争议的科学进步。在2021年9月的一次测试中，该磁铁达到了20特斯拉的场强。它的强度几乎是国际热核聚变实验反应堆同类磁体的两倍，后者依靠的是早期的超导材料。
磁铁可以用来限制等离子体，即发生核聚变反应的处于超热状态的物质。这些磁铁的威力越大，这样就能在一个更小的空间内产生更多的原子碰撞、反应和能量。用CFS的磁铁阵列建造的核聚变装置应该能够产生与依靠国际热核聚变实验反应堆技术的核聚变装置一样多的能量，然而装置的大小仅为1/40。
任何挑战仍然可能绊倒CFS，或者至少使进度偏离其雄心勃勃的时间线。目前，还没有人能够让核聚变反应堆产生净能量。CFS的磁铁还没有在一个工作的反应堆中进行测试。简而言之，聚变仍然是一项高度实验性和未经证实的技术。
但是，在经历了几十年的失望之后，也有了希望，那就是它可能成功。而且，该公司及其支持者至少相信，他们有望及时提供商业核聚变技术，使其在未来几十年向无碳能源过渡的过程中发挥重要作用。麻省理工学院等离子体科学和核聚变中心主任、CFS的联合创始人丹尼斯·怀特说：“大概在五年前，当我们在构建这整个项目时，速度一直是很重要的”。
“最紧迫的事情是，你能及时准备好，以便在气候变化方面产生影响吗？”他说，“最大的风险是不能及时到达那里”。
“大锤子”
与煤炭或天然气工厂不同，聚变反应堆不会产生导致气候变化的温室气体。同时，它们没有燃料耗尽的真正风险，而且与获取燃料相关的环境损失也较小。另外，与它的“近亲”核裂变不同，聚变不需要开采或管理放射性铀。
相反，CFS的机器，像大多数其他核聚变反应堆一样，将依靠氘和氚，这是两种氢的天然同位素。
海洋中充满了氘，美国能源部指出，海水中每5000个氢分子中有一个是由氘组成的，并且一加仑氘可以产生相当于300加仑汽油的能量。
从水中提取氘的方法已经确立，而且是常规方法。氚，其原子核中含有两个中子，而氘只有一个，在自然界中更为罕见，但它可以从锂中提取。
与风能和太阳能等可再生能源相比，核聚变可以在更小的范围内产生更多的能量，而且它可以提供一个永远在线的电力来源，不因天气或一天中时间的变化而下降。
这种所谓的基本负载功率对可靠的电网是必不可少的，对它的需求是电力部门难以摆脱化石燃料的一个关键原因。“目前的可再生能源系统是好的也是必要的，但不足以解决气候变化问题，”CFS的联合创始人和首席科学家布兰登·索尔本说道，“需要在这个组合中加入一种清洁的基载形式的电力。我们认为这个大的问题也需要‘大锤子’去解决，这就是核聚变。”
几十年来，许多人都设想过核裂变会发挥这样的作用，而且许多人仍然这样想。但是，许多公众和许多国家都拒绝了它，因为裂变反应堆的建造成本很高，很容易超过50亿美元，还有真实的和潜在的危险，包括对不断增加的放射性废物的担忧。相比之下，核聚变没有熔断风险，避免了像切尔诺贝利、三里岛和福岛等灾难的威胁。
氚具有放射性，聚变过程会释放中子，这两点都需要严格的安全协议来处理材料，并最终正式停止使用核电站工厂。但是，核聚变不会像裂变反应堆那样产生长期的放射性废物。
希望较低的风险将使其更快、更容易获得监管部门的批准和施工许可，一旦该技术确实可行，将加速其推广。
核聚变如何工作
不同研究小组在试图模仿太阳的能量来源时采取了不同方法，但是他们都从产生大量的热量开始，温度超过1亿摄氏度。
与国际热核实验反应堆及其他项目一样，CFS计划建造所谓的托卡马克反应堆，这是一个空心的甜甜圈形状的装置，将填充包括氘和氚原子的气体。该装置将通过给那些超强磁铁供电，利用电流产生电阻式加热，然后应用无线电波来稳定地提高温度。
当温度上升到足够高时，由于电子从原子核中被推开，原子开始破裂，从而形成了等离子体。电子和带正电的原子核在托卡马克的内部移动。
环绕托卡马克的磁铁形成了一个“磁瓶”，紧紧地包含着等离子体，较高的磁场大大减少了热损失。两个核子偶尔会有效地相互碰撞，质子和中子有时会结合起来，形成一个氦原子的原子核，释放出一个中子并产生大量的能量。
在太阳中，这些反应产生的热量是自我维持的，从而带来更多的碰撞和聚变，并且一直持续下去。但核聚变产业并不一定要达到这一点，即所谓的点火，才能创造出有利可图的发电厂。反应堆只需要让产出比所需的投入更多，具体数量取决于设施的基本成本。
该领域的普遍观点是，研究小组已经解决了生产核聚变能源所需的硬核科学问题，即使这一科学问题不是很具有一般性。大多数人认为，一旦国际热核聚变实验反应堆最终上线并满负荷运行，它至少能够产生有意义的净能量。
但是，建造一台能够达到这些条件的巨型机器的复杂性和成本已经阻碍了核聚变的发展。尽管国际热核聚变实验反应堆于2007年开始建造，但它计划到2035年才完全投入使用，比原定计划晚了十多年。而且有些人认为，最后的价格将远远高于现在估计的220亿美元。
CFS采用的是与国际热核聚变实验反应堆相同的基本聚变科学;真正的区别在于磁铁。排列在国际热核聚变实验反应堆内的11.8特斯拉的主要磁体是由超导铌钛或铌锡材料制成的，这需要极低的温度。CFS利用了所谓的高温超导体，它具有几个关键的优势，这可能会在经济上和时间线上产生差异。
创造磁铁的材料
科学家们早就知道，某些材料在特定条件下可以无阻力导电，允许电子自由流动，而不会在这个过程中释放出热量或失去其他形式的能量。这使得高电流能够在这些所谓的超导体周围产生强磁场。
为了使汞和铅等早期超导材料达到这种状态，研究人员必须将它们冷却到接近绝对零度，或大约-460°F，但这一操作需要使用液氦，从而限制了实际应用。
但是在20世纪80年代，研究人员发现了一类陶瓷，它们在相对更高的温度下变得超导，尽管仍然温度较低大约为一280°F。这听起来可能差别不大，但它可以用液氮实现，且液氮更便宜，更容易处理。
俄亥俄州立大学超导和磁性材料中心副主任迈克·桑普森说，这些高温超导体也可以创造出更强大的磁场。物理学家们开始梦想着他们所认为的这些材料很快就能衍生出的新技术，如悬浮列车、超高分辨率的核磁共振成像，以及非常强大的磁铁。
但是，高温超导体的工作极其困难。几十年后，制造商才想出了如何将其制造成长线，这需要制造高度排列的晶体，并将它们均匀地铺在金属基底上，形成微米级的薄层。
2009年，麻省理工学院的丹尼斯·怀特偶然发现一位同事拿着一捆类似胶带的材料穿过走廊。那是高温超导线材的早期原型，由钇钡铜氧化物材料制成。怀特立即意识到它在核聚变中的应用潜力，并在他的一门课程中分配给研究生一个任务，即利用磁带可能产生的强大磁场，设计一个紧凑的反应堆。
设计工作蔓延到麻省理工学院等离子体科学和聚变中心的后续课程和研究工作。
2015年，参与的研究人员设计了一个使用新材料的紧凑型核聚变工厂，可以产生200兆瓦的电力。他们将其命名为ARC即《钢铁侠》漫画中托尼一斯塔克虚构的聚变反应堆的名字。
2018年，该团队筹集了数千万美元的私人资金，并分拆出CFS公司，继续与麻省理工学院紧密合作。
那时，这种高温超导线材已经商业化。但这只是创建该公司所需的磁铁的起点：它必须是强大的、节能的和可靠的，同时还要在中间设计一个大的“孔”或洞，以便为等离子体提供空间。
该团队不得不与少数制造商密切合作，以确保足够的磁带供应（因为仅第一个磁铁测试就有几百英里），同时根据他们的目的进行优化。
一旦这些材料符合他们的规格，他们仍然需要将它们转化为一个巨大的磁铁。这首先需要将一层层的薄磁带堆积成一个厚实的、可承载必要电流的集成堆栈。在早期发表的一篇论文中，研究人员描述了一种方法，通过将几十到几百层磁带缠绕和焊接在一起来创造一条电缆。
该公司拒绝讨论他们如何创建现在使用的超导磁带堆的特殊细节。但是为了把它变成测试用的磁铁，研究小组需要将这些磁铁层卷起来，使其对齐从而增强磁场，就像你在小学时可能将铜线缠绕在钉子上，并将其与电池连接起来以创造一个电磁铁一样。CFS搭建了16层磁铁，研究人员称之为煎饼，每层都有16圈的线圈。然后他们把这些煎饼堆在一起，用适当的接头连接起来，创造了一个重10吨、高8英尺、D形的超级磁铁，里面装着盘绕了256圈长达165英里的超导磁带。