核聚變發(fā)電可能已做好準(zhǔn)備了,，今天麻省理工一口氣發(fā)表了6篇論文，中心思想就一個(gè),，他們用高溫超導(dǎo)帶制成的新型磁體,，可以把托卡馬克裝置的體積和成本壓縮40倍，也就是說只有國(guó)際熱核聚變裝置（ITER）的1/40,，并且已經(jīng)經(jīng)過了最極端的測(cè)試,，這可能是“過去30年來核聚變研究中最重要的事情”！

而這一突破早在2021年就實(shí)現(xiàn)了,，這意味著什么呢,？他們據(jù)此設(shè)計(jì)建造的托卡馬克裝置Sparc，當(dāng)初預(yù)計(jì)在2025年開始運(yùn)行,，這一計(jì)劃明年極有可能如期成為現(xiàn)實(shí),，人造太陽離我們可能真的越來越近了。

人造太陽究竟可不可行,，托卡馬克是全地球村的希望,，這一上世紀(jì)末就已研究透徹的技術(shù)，帶來一個(gè)非常明確的共識(shí),，那就是足夠強(qiáng)大的磁場(chǎng)將足夠熱,、足夠密的等離子體穩(wěn)定維持足夠的時(shí)間，計(jì)算的結(jié)果就是在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下,，非得建造一個(gè)非常巨大,、極其燒錢，讓一個(gè)國(guó)家財(cái)政預(yù)算頓足捶胸的玩意兒,，才有可能實(shí)現(xiàn)輸出能量大于輸入能量的核聚變?nèi)诤稀?/p>

面對(duì)天文數(shù)字般的投入和可能失敗的巨大風(fēng)險(xiǎn)，顯然沒有一個(gè)國(guó)家愿意獨(dú)自跳進(jìn)這個(gè)坑,，所以就像當(dāng)初建造國(guó)際空間站一樣,，全球主要國(guó)家再次達(dá)成了合作共識(shí)，大家共同湊份子,，在法國(guó)建造一個(gè)直徑12米,，主要設(shè)備就重達(dá)23000噸的國(guó)際熱核聚變裝置（ITER），以驗(yàn)證核聚變發(fā)電最終是否可行,。

之后聰明的美國(guó)人率先拆除了托卡馬克裝置,，開始搞激光點(diǎn)火聚變,，日本和歐洲則選擇升級(jí)托卡馬克，繼續(xù)為ITER提供技術(shù)支持,，前不久歐洲的JET也終于宣布結(jié)束運(yùn)行,。新加入的中國(guó)、韓國(guó),，則開始建造更先進(jìn)的托卡馬克裝置,，加大學(xué)習(xí)和培養(yǎng)人才的力度，一旦ITER實(shí)驗(yàn)成功,，就可以迅速開發(fā)商業(yè)化核聚變電站,。

美國(guó)對(duì)ITER可能沒抱什么希望，曾經(jīng)一度退出,，后來又重新加入,，加拿大則干脆直接退出了。但美國(guó)并沒有放棄托卡馬克,，民營(yíng)資本開始研發(fā)各種托卡馬克變體裝置,，目前已投入數(shù)十億美元，多個(gè)項(xiàng)目可能已處于突破的邊緣,，最早的已宣稱要在2028年核聚變發(fā)電,。

麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心（PSFC）沒有等ITER,，也沒有依葫蘆畫瓢,，他們選擇把托卡馬克裝置縮小，成本降低,，打造一個(gè)可以輕松負(fù)擔(dān)的驗(yàn)證裝置,。而要把設(shè)備縮小，辦法只有一個(gè),，那就是更強(qiáng)大的磁場(chǎng),，因?yàn)榈入x子體的約束時(shí)間隨直徑的平方變化，而功率密度隨磁場(chǎng)的4次方變化,，這意味著磁場(chǎng)強(qiáng)度翻一番,，聚變功率將達(dá)到16倍。ITER選擇增加尺寸,，麻省理工選擇增強(qiáng)磁場(chǎng),。

而麻省理工還有一個(gè)更大膽的想法，就是把磁體中的絕緣材料全部去掉,！你可能會(huì)覺得這完全是瘋了,，在傳統(tǒng)的超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)中，超導(dǎo)帶或線圈之間通常需要絕緣材料，以防止電流短路發(fā)熱,，導(dǎo)致磁體功能失效或損壞。

麻省理工的天才想法是,，發(fā)熱是電阻產(chǎn)生的，而超導(dǎo)狀態(tài)下材料是零電阻,，這意味著電流可以在沒有能量損失的情況下流動(dòng),，導(dǎo)電性超強(qiáng)的超導(dǎo)帶即使相互接觸，也不會(huì)因?yàn)殡娮瓒a(chǎn)生熱量和能量損耗,，那還要絕緣材料干什么呢,？

而把絕緣材料去掉，讓超導(dǎo)帶“裸奔”,，好處絕對(duì)是革命性的,。

一是可以簡(jiǎn)化制造過程，節(jié)約成本和時(shí)間,；

二是超導(dǎo)帶更緊密的排列,，可以提高磁場(chǎng)強(qiáng)度和均勻性；

三是可以讓冷卻劑直接接觸超導(dǎo)帶,，提高冷卻效果,；

四是潛在的過熱會(huì)更加均勻地分布在整個(gè)磁體中，有助于防止局部損傷,，增強(qiáng)磁體的整體穩(wěn)定性和安全性,。

另一個(gè)關(guān)鍵就是氧化釔鋇銅（YBCO）膠帶,，這是一種革命性的高溫超導(dǎo)材料,，可以在液氮溫度（-196℃）下工作，并且可以承載很大的電流,，從而在更小的空間里產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng),。麻省理工從2018年開始，就將全球大部分4毫米高溫超導(dǎo)膠帶都買了下來,，長(zhǎng)達(dá)300公里,，最后繞成了16個(gè)線圈，制造了一個(gè)可以環(huán)繞托卡馬克裝置的環(huán)形磁場(chǎng),。

然而想法再大膽,，能不能成還是要實(shí)踐出真知。2021年9月5日,，麻省理工PSFC的實(shí)驗(yàn)室里一片歡騰,，因?yàn)榭茖W(xué)家們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)重要的里程碑，這種高溫超導(dǎo)材料制成的新型磁體，創(chuàng)造了大型磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度新的世界紀(jì)錄：令人瞠目結(jié)舌的20 特斯拉,，而且非常地穩(wěn)定均勻,。這個(gè)強(qiáng)度是地球磁場(chǎng)的40萬倍，可以直接將一艘航空母艦抬出水面,！

在接下來的幾個(gè)月內(nèi),，研究人員拆解了磁體的每一個(gè)組件，仔細(xì)審視數(shù)百個(gè)儀器記錄的數(shù)據(jù),，并進(jìn)行了兩次極限測(cè)試,，以檢驗(yàn)他們最大膽的想法——去掉絕緣材料，讓高溫超導(dǎo)帶“全裸”運(yùn)行是不是完全可行,。

研究人員故意制造極端條件，突然切斷全部電源,，這時(shí)候由于超導(dǎo)體的零電阻特性,，磁體內(nèi)部仍然可以維持一個(gè)持續(xù)的強(qiáng)大電流。但如果部分磁體因?yàn)橥獠織l件變化而過熱或受到機(jī)械應(yīng)力,，就可能超越臨界溫度或臨界磁場(chǎng),，導(dǎo)致超導(dǎo)性喪失成為正常阻性狀態(tài)，從而開始產(chǎn)生熱量,。這時(shí)候磁體內(nèi)部電流仍在流動(dòng)并且很大,，很容易導(dǎo)致局部溫度升高，如果無法有效散熱,，就可能發(fā)生災(zāi)難性的過熱,，進(jìn)而導(dǎo)致磁體結(jié)構(gòu)的損壞，這種現(xiàn)象被稱為淬火,。

最終在16個(gè)磁體中,，只有一個(gè)磁鐵有一個(gè)角發(fā)生了熔化，科學(xué)家們據(jù)此重新進(jìn)行了設(shè)計(jì),，從而可以保證在最極端的情況下,，磁體也不會(huì)再受到損傷，這意味著他們異想天開,，大膽去除絕緣材料,，讓超導(dǎo)帶“裸奔”的設(shè)計(jì)，不僅理論上可行,，實(shí)際上也是完全行得通的,。PSFC前主任，美國(guó)工程教授丹尼斯·懷特稱,，這是“過去 30 年聚變研究中最重要的事情”,。

這兩項(xiàng)革命性的技術(shù)創(chuàng)新和突破,，意味著麻省理工正在建造的Sparc托卡馬克裝置，將有可能在體積和成本都只有國(guó)際熱核聚變裝置1/40的情況下,，也就是直徑只有3.7米的情況下,，將2億K的高溫等離子體維持10秒鐘，實(shí)現(xiàn)140MW的聚變功率輸出,，達(dá)成Q值2-11的既定目標(biāo),。這個(gè)Q值差不多就是ITER的目標(biāo)，只是ITER的輸出是500MW,，維持時(shí)間400秒。

但Sparc還只是演示機(jī),，麻省理工最終的目標(biāo)是打造一臺(tái)直徑6.6米的ARC聚變反應(yīng)堆，這個(gè)尺寸只有ITER一半,，但Q值會(huì)達(dá)到13.6,，輸出270MW聚變能。最重要的是,，它的成本可能只是ITER的一小部分,，隨著絕緣材料的取消，裝置還可以做得更緊湊,，性能更強(qiáng),，這意味著成本還可能進(jìn)一步降低。目前這個(gè)項(xiàng)目已獲得超過20億美元的私人資本投資,，包括意大利埃尼集團(tuán),、比爾蓋茨的突破能源、淡馬錫控股等,。

不得不說,，麻省理工團(tuán)隊(duì)太大膽了，竟然想出了可能很多人想都不敢想的讓超導(dǎo)帶“裸奔”的設(shè)計(jì),，這不僅是思維上的一次突破,，更帶來了技術(shù)上的巨大飛躍和核聚變的重大進(jìn)步。其實(shí)不光麻省理工,，一些處于核聚變突破邊緣的團(tuán)隊(duì),，他們的想法和設(shè)計(jì)也是令人驚嘆，嘖嘖稱奇的,。比如2028年要向微軟提供核聚變電的Helion,，他們是把磁性約束和慣性約束結(jié)合起來，通過等離子體磁場(chǎng)直接發(fā)電,，連鍋爐燒水的環(huán)節(jié)都省了,。

這項(xiàng)研究的6篇論文，以同行評(píng)論的形式發(fā)表在《IEEE應(yīng)用超導(dǎo)匯刊》3月號(hào)的特刊上，包括磁體設(shè)計(jì)和制造,、性能評(píng)估及檢測(cè),、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)等，有興趣的朋友可以去看看,。