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在核聚變領(lǐng)域，有些人正以追求清潔的、取用之不竭的能源而大干一場，比如那些將世界上最大的托卡馬克反應(yīng)堆——ITER——組裝在一起的七層建筑。近日，麻省理工學(xué)院(MIT)科學(xué)家取得新突破，其團(tuán)隊揭示了創(chuàng)紀(jì)錄的超導(dǎo)磁鐵，世界上最強聚變磁體。它產(chǎn)生的磁場大約是地球自然磁場的50萬倍，是任何類似超導(dǎo)磁體強度的兩倍。

這種新型磁鐵的開發(fā)是由麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們主導(dǎo)的，他們在2015年首次公布了一種實驗性聚變反應(yīng)堆設(shè)計。該反應(yīng)堆被稱為ARC(價格合理、堅固、緊湊)，是一個甜甜圈形狀的托卡馬克反應(yīng)堆，就像ITER一樣，試圖重現(xiàn)我們太陽內(nèi)部的條件，即氫原子在極端高溫和壓力下聚變，釋放出大量清潔能源。然而，ARC的大小約為ITER的一半，半徑為3.3米。

無論是ITER、ARC還是像德國溫德爾施泰因7-X仿星器（Wendelstein 7-X stellarator）那樣扭曲和旋轉(zhuǎn)的聚變反應(yīng)堆，其物理原理和總體目標(biāo)基本上是相同的。氫同位素氘和氚被引入艙內(nèi)，并經(jīng)過過熱形成旋轉(zhuǎn)的等離子體，然后需要將等離子體懸浮起來，防止它轉(zhuǎn)向墻壁或任何固體。要做到這一點，磁鐵是關(guān)鍵。

無論是在溫德爾斯坦7-X中工作的錯位的磁圈，還是在傳統(tǒng)托卡馬克中看到的整齊、重復(fù)有序的磁圈，所有這些都是為了產(chǎn)生超強烈的磁場，以便能夠?qū)⒌入x子體固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，以使聚變反?yīng)發(fā)生。但研究ARC的科學(xué)家們一直在追求一種具有關(guān)鍵區(qū)別的磁體技術(shù)。

ITER依靠超導(dǎo)磁體來控制等離子體，這些低溫磁體在冷卻到-269°C(-452.2°F)左右時就會變成超導(dǎo)體。相反，ARC的科學(xué)家們正在尋找一種他們稱之為高溫超導(dǎo)體的材料，這種材料可以在更小的空間中獲得更高的磁場。該團(tuán)隊一直在研究一種商用磁帶，這種磁帶在卷軸上，展開成扁平的帶子，在更高的溫度下變得超導(dǎo)，并產(chǎn)生更強的磁場。這在理論上可以更好地限制等離子體，因此反應(yīng)堆可以變得更小，成本也更低。

麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們和英聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司(CFS)一起，用了三年的時間，試圖把磁帶變成一種高能磁鐵，用于一個名為SPARC的演示設(shè)備，一個ARC的試驗臺，尺寸將是它的一半左右。該團(tuán)隊的最終產(chǎn)品是一種磁體，它使用267公里(166英里)的超導(dǎo)磁帶形成16塊板，這些板堆疊在一個D形的盒子里。這個磁體被冷卻到-253.15°C(-423.7°F)左右，在這一點上它變成超導(dǎo)并產(chǎn)生一個強大的磁場。

“我們建造了第一種超導(dǎo)磁鐵。”CFS的運營主管喬伊·鄧恩說。“創(chuàng)造獨特的制造工藝和設(shè)備需要大量的工作。因此，我們現(xiàn)在已經(jīng)為SPARC的生產(chǎn)做好了充分的準(zhǔn)備。我們從物理模型和CAD設(shè)計開始，經(jīng)過大量的開發(fā)和原型工作，把紙上的設(shè)計變成了實際的物理磁鐵?！?/p>

在測試中，研究小組逐漸提高超導(dǎo)磁體的強度，直到它產(chǎn)生了破紀(jì)錄的20特斯拉磁場，使它成為有史以來用聚變磁體產(chǎn)生的最強磁場。

鑒于已經(jīng)發(fā)表了一系列的物理論文展示SPARC的可行性，研究小組認(rèn)為新磁鐵是拼圖所缺失的一部分，與使用傳統(tǒng)低溫超導(dǎo)磁體的體積大 40 倍的設(shè)備的性能相當(dāng)。。

“我們要填補的是使用傳統(tǒng)等離子體物理、傳統(tǒng)托卡馬克設(shè)計和工程，但引入新的磁體技術(shù)?！?麻省理工學(xué)院的馬丁·格林沃爾德說，“所以，我們不需要在六個不同的領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新。我們只是在磁石上進(jìn)行創(chuàng)新，然后應(yīng)用過去幾十年學(xué)到的知識基礎(chǔ)?！?/p>

就目前情況來看，還沒有聚變反應(yīng)堆顯示出能夠產(chǎn)生超過運行所需的能量，而實現(xiàn)這種“收支平衡”將是一個歷史性時刻。SPARC計劃于2025年完工。