高温超导体可用于核聚变，成本下降40倍，商业化可期

近日，美国麻省理工学院（简称MIT）等离子体科学与核聚变中心以及英联邦聚变系统（CFS）发表了一篇综合报告。这份报告援引在IEEE应用超导会刊（IEEE Transactions on Applied Superconductivity）3月份特刊上6篇独立研究的论文，证明了： MIT在2021年实验中采用“高温超导磁体”以及无绝缘的设计，是完全可行且可靠的。

同时还验证了， 团队在实验中使用的独特超导磁体，足以作为核聚变发电厂的基础。这预示着被誉为“人造太阳”的核聚变，从一个实验室中的科学研究项目，即将成为可以商业化的技术。 研究团队认为， 通过他们所研发的新型高温超导磁体（high-temperature superconducting，HTS），能够将可控核聚变装置托卡马克的体积和成本压缩40倍，并成功通过了科学上严格的测试和论证。

前 MIT 等离子体科学与聚变中心主任丹尼斯·G·怀特（Dennis G. Whyte）教授对媒体表示： “一夜之间，聚变反应堆的每瓦成本在一天之内就降低了近40倍，现在核聚变有机会了。在我看来，HTS 的成功测试是过去 30 年聚变研究中最重要的事情。”

尺寸和成本是核聚变装置能否在现实中应用的关键问题。超导磁体通常体积巨大，以容纳大量的超导线圈和冷却设备。通过缩小体积，可以大幅减少超导磁体占用的空间，使其适用于更多的应用场景。

另一方面，不可忽视的是，超导磁体的制造和运行成本通常很高。通过缩小体积，可以减少材料的用量和冷却系统的数量，从而降低成本。

近年来，一种名为稀土氧化铜钡（Rare Earth Barium Copper Oxide，REBCO）的新型高温超导磁体被添加到核聚变磁体中。

与上一代超导体截然不同的是，这种新型 HTS 不仅要解决现有磁体设计中的替代问题。“相反，这是对用于构建超导磁体的几乎所有原理的彻底改造。”怀特对媒体表示。

在本次发布的新论文中， 研究人员对该材料申请专利后重新设计的细节过程进行了描述。此外，其中还有一项引起高度关注的创新——他们通过简化制备流程，去除了超导带周围的绝缘层。

实际上，早在 2021 年 9 月，MIT 的工程师与美国核聚变能源初创公司 Commonwealth Fusion Systems（简称 CFS）合作，已制备出这种新型 HTS，并达到建造核聚变发电厂所需的 20 特斯拉的磁场强度，这刷新了同类磁体的最高记录。

并且，实用型聚变反应堆（Practical fusion reactors）还入选了 2022 年《麻省理工科技评论》的“全球十大突破性技术”（详情查阅 DeepTech 报道：《麻省理工科技评论》2022 年“全球十大突破性技术”正式发布！）。

MIT 团队与 CFS 公司基于 HTS 开发紧凑型聚变装置 SPARC。SPARC 的大小与中型聚变装置类似，但磁场更强。SPARC 设计 1.85m 的长半径和 0.57m 的短半径，在 12.2T 的环形场和 8.7MA 的等离子体电流下运行，能够产生 50-100MW 的聚变功率。

总体来说，MIT 的研究人员在此次6 篇论文中， 聚焦于SPARC环形场模型线圈（TFMC）计划，详细报道了设计、制造磁体和测评磁体性能所需的诊断设备，并总结了在研究过程中的相关经验。

这六篇论文全面介绍了该计划的背景、目标、活动和成就，涵盖了从技术和程序概述、磁体设计、制造和组装，到测试设施建设、电流传输系统设计、低温冷却系统性能，以及实验评估和模型验证等多个方面。这些成果展示了高温超导磁体技术在推动高磁场通路到紧凑型净能量聚变机器方面的重要作用。同时，他们验证了预测和计算机建模，并证明基于 HTS 的特性能够作为核聚变发电的基础。

（综合整理自MITNews、DeepTech、新智元、Futurism）