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變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”。

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。

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，即使这一科学问題不是很具有一般性。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。

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。

2021年夏天，麻省理工学院和CFS的研究人员将磁铁放置在一个椭圆形的试验台上，旨在重复托卡马克的工作条件。8月下旬，他们开始了长达一周的准备，将磁铁冷却到低温，疏散它周围的真空室，并在高压下慢慢加入氦气。

一旦温度足够低，该团队就开始给磁铁充电。

科学家们坐在相邻的一间控制室里，他们将磁场强度推得越来越高的同时，也监控着屏幕上的数据。2021年9月5日黎明前，研究小组的大部分成员，以及麻省理工学院的领导和这家初创公司的财政支持者都聚集在这个房间里。早上6点左右，研究小组终于将磁铁推到20特斯拉（T）以上，打破了大口径高温超导电磁铁的记录。

“当它超过20特斯拉时，什么也没有发生，这让我欣喜若狂，”怀特说。“除了欢呼声外，什么也没有发生。”

SPARC，即CFS公司目前正在德文斯建造的原型反应堆，将包括18个这样的强大磁铁，围绕着托卡马克并产生磁场，将等离子体紧紧地控制在其中。CFS团队在2020年9月共同撰写的一篇论文中计算出，该原型反应堆产生的能量可能是其消耗的11倍之多。

索尔本坚持认为，磁铁测试曾是CFS面临的主要工程障碍。他说，现在的主要的问题变成了执行。

其他研究实验室和初创公司也在汇报核聚变的进展。但是，尽管正在取得科学进展，许多专家仍然怀疑我们会像CFS和其他公司所认为的那样迅速看到工作的商业反应堆。

尚未有实验室从核聚变中产生净能量，更不用说可以在数月内产生廉价、稳定、可靠的电力的持续反应。

倡导利用核能解决气候变化问题的良好能源集体组织的创始人杰西卡·洛弗林认为，核聚变并不像一些人所说的那样迫在眉睫。“很多这些公司都说他们会在5年或10年内展示，”她说，“我认为这更像是一种承诺，以帮助他们获得投资。这就是我们在各种技术中看到的标准的技术炒作。”

该技术还将面临监管挑战，新兴产业当然希望聚变反应堆将被证明比裂变反应堆更容易获得许可和建造，因为裂变反应堆的建造可能需要10年时间。

瑞秋·斯莱博格说，核聚变并非没有风险。直到最近她还是加州大学伯克利分校的核工程教授。

与核裂变工厂一样，小型聚变反应堆在错误的人手中可能被用来生产可为武器提供动力的放射性材料。而且，仍然有可能发生严重的工业事故，例如，当反应堆的主要部件在真空中运行时，会出现极端的压力差。

斯莱博格说，即使风险比与裂变相关的风险要小，它们也将需要监管审查和安全标准。她说：“在获得核聚变技术之后，可能会有这样的认识：‘哦，仍然有辐射和安全隐患’。”她担心，“关于超级便宜的电能的承诺在它实现之后将变得不那么美好”。

加州大学伯克利分校研究核聚变反应堆设计的教授爱德华·莫尔斯说，前面还有真正的技术挑战。首先，CFS仍然需要测试当所有18个磁体一起运作时，这些组件在更大的压力下是如何保持稳定的。

“它可能因为各种难以解释的原因而失败。”他说。

莫尔斯一直对核聚变初创公司持批评态度，认为有些公司只是在重复能源部实验室几十年前因为某些原因就放弃的旧想法。但是，他认为CFS公司比该领域的大多数公司有更好的机会，正是因为它没有对核聚变采取完全不同的方法。

“他们保留了传统的托卡马克方法，但用新型的材料代替了磁铁。”他说。“這就是我喜欢的计划;一次只能有一个重大的飞跃。”

在德文斯47英亩的场地上，在将建造SPARC的那个坑附近，工作人员已经搭建起了一个工厂的框架，该工厂将为原型反应堆大量生产磁铁。

CFS希望在未来三年内从该机器中产生净电力，但该工厂的生产能力是根据全尺寸设施而设计的，而这一设施，即ARC发电厂，预计在21世纪30年代早期完成。在未来的操作中，产生的热能将通过与核裂变反应堆或煤厂相同的基本过程转化为电力：通过将水变成蒸汽，使涡轮机旋转。

11月底，这家初创公司宣布它已经筹集了18亿美元的风险资本，为建造SPARC和开始商业设施的工作提供了资金。该公司已开始与潜在客户就厂址进行早期对话，并与监管机构就此类工厂的许可和经营所需的条件进行沟通。

“我们需要假设这一次的成功，并想出如何继续前进，”怀特说。“按部就班的等待是不会成功的。”

这种不耐烦源于这样一个事实，即如果核聚变发电要在应对气候变化中发挥任何重要作用，就必须尽快做好准备。

世界需要在未来几十年内消除电力带来的污染，并在本世纪中叶左右停止几乎所有的温室气体排放，以有机会阻止非常危险的全球变暖。实现这些目标还意味着需要生产更多的电力，以满足来自插电式汽车以及家庭、建筑和工厂的不断增长的需求，这些家庭、建筑和工厂将更加依赖电力来取暖、制冷和用作其他用途。

对一些人来说，这些时间线所呈现的不可更改的事实意味着我们不能寄希望于一项尚未被证明的技术，更不用说大规模的商业化。但洛弗林说，即使核聚变不能在电能生产达到零碳排放之前进入市场，一个廉价、稳定、充足的电力来源仍将发挥关键作用。

“这个问题不会在2050年停止，”她说，“我们仍然会有不断增长的能源消耗;我们仍然会有经济迅速增长的国家。虽然核聚变可能会更久，但仍然需要它。”（综合整理报道）（编辑/华生）