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不爱尖叫的鸡|MIT一次刊发7篇论文，详解“人造太阳”重大突破( 三 )


经费和政治的原因虽然重要 ， 但 ITER 的大手笔设计和超高的建造难度 ， 才是其一直不能成功的根本原因——这个设备过于庞大、复杂和精密了：
不爱尖叫的鸡|MIT一次刊发7篇论文，详解“人造太阳”重大突破
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图 | 庞大、精密、复杂的 ITER 一拖再拖 ， 反复跳票（来源：Oak Ridge National Laboratory）
新材料+旧设计=新可能
显然 ， 假如要降低托卡马克装置的本钱和建造难度 ， 一个好办法就是减小它的体积 。
核聚变领域有一个重要的指标 ， 叫做聚变能增益系数 Q ， 是核聚变反应开释的能量与为了维持核聚变所需要的能量的比值 。 在没有物理原理突破的情况下 ， 要想实现比较高的 Q 值 ， 托卡马克装置要么得有大尺寸 ， 要么得有强磁场 。 ITER 设计于十几年前 ， 概念设计甚至始于上世纪八十年代 。 其所使用的超导材料机能一般 ， 为了达到 Q=10 目标 ， 其等离子体大半径高达 6.2 米 ， 给项目的技术和资金带来了巨大的挑战 。
而这次 MIT 与 Commonwealth Fusion Systems 团队给出的托卡马克小型化的办法 ， 就是用更好的超导材料获得更强的磁场 。
最近几年 ， 超导材料领域泛起了重大突破 。 后发制人的 SPARC 项目 ， 用上了比 ITER 好得多的新型高温超导材料——稀土钡铜氧化物 。
为此 ， 他们研究出了一种新型高温超导导电带 ， 经由数千次类似磁场环境情况下的轮回之后 ， 表现优异 。 在液氦温度下 ， 仅有 0.1mm 厚、12mm 宽的线缆可以通过 5000 安培的电流 。 与之比拟 ， 平等截面积下的普通铜线 ， 在常温下仅能安全通过约为 6 安培的电流 。
不爱尖叫的鸡|MIT一次刊发7篇论文，详解“人造太阳”重大突破
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图 | 高温超导导电带（来源：SPARC）
这样一来 ， SPARC 就可以形成极其强盛的磁场 。 为了达到与 ITER 同样的 Q 值 ， SPARC 的等离子体大半径只需要 1.85 米就可以了 。 半径缩小了 3 倍多 ， 意味着体积将只有 ITER 的 2% 。 这个体积相当于一个中型反应堆的大小 ， 但其强得多的磁场却让它可以提供 50-100 兆瓦的核聚变能量 。
除此之外 ， SPARC 其它设计原理都与 ITER 一模一样 。 Commonwealth Fusion Systems 并不是独一一家从事可控核聚变研究的初创公司 。 美国的 TAE Technologies 和英国的 First Light Fusion 也是这个领域的明星初创公司 。 但与他们比拟 ， Commonwealth Fusion Systems 的技术路线更加守旧 ， 除了新材料以外 ， 其它均是 ITER 经由验证的成熟设计 。 这意味着 ， 其成功的几率要大得多 。 而大幅缩小的尺寸 ， 意味着大幅降低的本钱和建造难度 。
可能也恰是因为同样的原因 ， Commonwealth Fusion Systems 也是第一个将自己的进展以论文的形式向全世界宣布的私营公司 。 通过这些论文 ， 我们得以对他们的研究一探毕竟 。
新项目的新挑战
SPARC 项目的第一阶段开始于 2018 年 ， 计划到 2021 年之前完成这种小型化托卡马克的系统设计 。 目前 ， 已经逐渐迭代进级到了最新的 V2 版本 。
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图 | 目前的 V2 版本设计 ， 蓝色的是超导线圈 。 （来源：Creely et al. 2020）
得益于近几年核聚变反应模拟计算的提高 ， 高通量模型让他们预测出了 SPARC 在实际运行中的表现 。 计算发现 ， V2 版本最高将可以达到 Q≈9 ， 经验公式更是显示可以达到 Q≈11 ， 实现 140 兆瓦的核聚变能量输出 。 即便是在非常守旧的运行情况下 ， SPARC 也依然可以实现 Q>2 的设计目标 ， 输出 50 兆瓦的功率 。
尽管并不是所有人都认同这些结果的可靠程度 ， 但显然 MIT 和 Commonwealth Fusion Systems 对他们的结果充满信心 。 他们以为 ， 项目的第二阶段建设将如期在明年 7 月左右开始 ， 并在 2025 年完成最后的设计、建造和运行 。


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