對麻省理工學院和聯邦聚變系統公司製造的高溫超導磁鐵進行的詳細研究證實，它們符合經濟、緊湊型聚變發電廠的要求。2021 年9 月5 日黎明前，工程師在麻省理工學院等離子體科學與聚變中心（PSFC）的實驗室裡實現了一個重要的里程碑，一種由高溫超導材料製成的新型磁鐵達到了創世界紀錄的磁場強度，即大型磁鐵的磁場強度達到20 特斯拉。

在麻省理工學院的等離子體科學與聚變中心，新型磁鐵的磁場強度達到了創世界紀錄的20 特斯拉，為大型磁鐵之最。圖片來源：Gretchen Ertl

這是建造核融合發電廠所需的磁場強度，該發電廠有望產生淨輸出功率，並有可能開創一個幾乎無限的發電時代。

試驗立即宣布成功，達到了為設計新的核融合裝置（被稱為SPARC，磁鐵是其關鍵的使能技術）而設定的所有標準。疲憊不堪的實驗團隊慶祝他們的成就，他們為這項成就付出了漫長而艱辛的努力。

但這遠遠不是整個過程的終點。在隨後的幾個月裡，團隊拆開並檢查了磁鐵的各個部件，仔細研究並分析了數百台記錄測試細節的儀器所提供的數據，並在同一塊磁鐵上進行了兩次額外的測試，最終將其推到了極限，以了解任何可能的失效模式的細節。

一個小組將磁鐵放入低溫恆溫器容器中。圖片來源：Gretchen Ertl

PSFC 和麻省理工學院衍生公司Commonwealth Fusion Systems (CFS) 的研究人員在所有這些工作的基礎上撰寫了一份詳細的報告，該報告由六篇經過同行評審的論文組成，發表在《電氣和電子工程師學會應用超導期刊》（IEEE Transactions on Applied Superconductivity）三月號的特刊上。這些論文介紹了磁鐵的設計和製造、評估其性能所需的診斷設備，以及從這個過程中學到的經驗教訓。研究小組發現，總的來說，預測和電腦建模是正確的，驗證了磁鐵的獨特設計元素可以作為聚變發電廠的基礎。

實現實用聚變發電

最近剛卸任PSFC 主任的日立美國公司工程學教授丹尼斯-懷特（Dennis Whyte）說，磁鐵的成功測試”在我看來，是過去30 年核融合研究中最重要的事情”。

在9月5日的演示之前，現有最好的超導磁體的功率足以實現核融合能量–但其尺寸和成本永遠不可能實用或經濟可行。然後，當測試顯示如此強大的磁鐵在尺寸大大縮小的情況下仍具有實用性時，”一夜之間，聚變反應器的每瓦成本在一天之內就降低了近40 倍，」懷特說。

麻省理工學院等離子體科學與聚變中心內的測試裝置。圖片來源：Gretchen Ertl

懷特補充說：”現在核融合有了機會。託卡馬克是目前使用最廣泛的聚變實驗裝置設計，在我看來，託卡馬克有機會實現經濟性，因為在已知的約束物理規則下，你的能力發生了量變，能夠大大降低使聚變成為可能的物體的尺寸和成本。”

六篇新論文詳細介紹了PSFC 磁體測試的綜合數據和分析，這些數據和分析表明，新一代核融合裝置（麻省理工學院和CFS 設計的裝置以及其他商業核融合公司的類似設計）的計劃建立在堅實的科學基礎之上。

超導突破

核融合是輕原子結合成重原子的過程，它為太陽和恆星提供能量，但在地球上利用這一過程已被證明是一項艱鉅的挑戰，幾十年來，人們在實驗裝置上付出了艱辛的努力，花費了數十億美元。人們長期追求但從未實現的目標是建造一座聚變發電站，其產生的能量大於消耗的能量。這樣的發電廠在發電的同時不會排放溫室氣體，也不會產生大量放射性廢棄物。核融合的燃料是一種可以從海水中提取的氫，幾乎是無限的。

研究磁鐵的大型團隊來自麻省理工學院的等離子體科學融合中心和麻省理工學院的衍生公司Commonwealth Fusion Systems。圖片來源：Gretchen Ertl

但是，要使核融合成功，就必須在極高的溫度和壓力下壓縮燃料，而且由於沒有任何已知材料能夠承受這樣的溫度，燃料必須由極其強大的磁場來固定。產生如此強大的磁場需要超導磁體，但以前所有的核聚變磁鐵都是用超導材料製造的，這種材料需要絕對零度以上約4 度（4 開爾文，即攝氏零下270 度）的低溫。最近幾年，一種被稱為REBCO（稀土鋇銅氧化物）的新型材料被添加到核融合磁體中，這種材料可以讓核融合磁體在20 開爾文的溫度下工作，儘管溫度僅高出16開爾文，但在材料特性和實際工程方面卻具有顯著優勢。

利用這種新型高溫超導材料並不僅僅是在現有磁鐵設計中取代它。相反，”這是對幾乎所有用於製造超導磁鐵的原理的重新設計”，Whyte 說。新型REBCO 材料”與上一代超導體有很大不同。你需要的不僅僅是適應和替代，而是從頭開始創新”。《Transactions on Applied Superconductivity》雜誌上的新論文描述了這個重新設計過程的細節，現在專利保護已經到位。

關鍵創新：無隔熱材料

其中一項引人注目的創新是取消了構成磁鐵的超導磁帶扁平薄帶周圍的絕緣材料，這讓該領域的許多其他人對其成功的可能性持懷疑態度。與幾乎所有的電線一樣，傳統的超導磁鐵也完全由絕緣材料保護，以防止電線之間發生短路。但在新型磁鐵中，磁帶完全裸露在外；工程師們依靠REBCO 高得多的導電性來保持電流流過材料。

核子科學與工程系羅伯特-N-諾伊斯（Robert N. Noyce）職業發展教授 Zach Hartwig（Zach Hartwig）說：「當我們開始這個計畫時，比方說在2018年，使用高溫超導體製造大規模高磁場磁體的技術仍處於起步階段。哈特維格是PSFC 的共同聘任教授，也是領導磁體開發專案的工程組長。我們的磁體開發專案從桌上型實驗開始。我們的磁鐵開發專案從台式實驗開始，在很短的時間內就完成了全尺寸的實驗。」他補充說，團隊建造了一塊重達2萬磅的磁體，它能產生穩定、均勻的磁場，磁場強度剛剛超過20特斯拉，遠遠超過了任何大規模磁場。

“製造這些磁鐵的標準方法是將導體纏繞在繞組上，在繞組之間設置絕緣層，你需要絕緣層來處理非正常事件（如停機）時產生的高電壓”。他說：”去掉這層絕緣層的好處在於它是一個低壓系統。​​它大大簡化了製造工藝和進度”。這也為其他元素留出了更多的空間，例如更多的冷卻或更多的強度結構。”

這種磁鐵組件的尺寸略小，它將構成馬薩諸塞州德文斯中心正在建造的SPARC 核融合裝置的甜甜圈形腔體。它由16 塊被稱為薄餅的板塊組成，每塊板塊的一側都纏繞著螺旋形的超導帶，另一側則是氦氣冷卻通道。

但是，無隔熱設計被認為是有風險的，而且測試項目也有很大的風險。哈特維格說：”這是第一塊規模足夠大的磁體，它真正探討了使用這種所謂的無隔熱無扭轉技術設計、製造和測試磁體所涉及的問題。當我們宣布這是一個無隔熱線圈時，整個社會都感到非常驚訝”。

挑戰極限……並超越極限

在先前的論文中描述的首次測試證明，該設計和製造流程不僅可行，而且非常穩定，一些研究人員曾對此表示懷疑。接下來的兩次測試也是在2021 年底進行的，透過故意製造不穩定條件，包括完全關閉輸入電源，將設備推向了極限，這可能會導致災難性的過熱。這種情況被稱為”淬火”，被認為是此類磁鐵運作的最壞情況，有可能摧毀設備。

哈特維格說，試驗計劃的部分任務是”實際去故意淬火一個全尺寸的磁體，這樣我們就能在合適的規模和合適的條件下獲得關鍵數據，從而推動科學發展，驗證設計代碼，然後拆開磁鐵，看看哪裡出了問題，為什麼會出問題，以及我們如何進行下一次迭代來解決這個問題……這是一個非常成功的試驗。

最後的測試以16 塊薄餅中一塊薄餅的一角融化而告終，它產生了大量的新資訊。首先，他們一直在使用幾種不同的計算模型來設計和預測磁體各方面的性能，在大多數情況下，這些模型在總體預測上是一致的，並通過一系列測試和實際測量得到了很好的驗證。但在預測淬火效果時，模型的預測結果出現了偏差，因此有必要取得實驗數據來評估模型的有效性。

“我們所擁有的保真度最高的模型幾乎準確地預測了磁鐵如何升溫，開始淬火時升溫到什麼程度，以及由此對磁鐵造成的損害在哪裡。正如其中一份新報告中詳細描述的那樣，該測試實際上準確地告訴了我們正在發生的物理現象，並告訴我們哪些模型對未來有用，哪些模型因為不正確而應該被拋棄。”Whyte 說：”基本上，在測試了線圈性能的所有其他方面之後，我們故意對線圈做了最壞的處理。我們發現，線圈的大部分沒有受到任何損壞。受損的面積只佔線圈體積的百分之幾。因此，我們對設計進行了修改，預計即使在最極端的條件下，也能防止實際核融合裝置磁鐵出現這種損壞。”

哈特維格強調說，團隊之所以能夠完成這樣一項創紀錄的全新磁鐵設計，並在第一時間以極快的速度完成，主要歸功於阿爾卡特C 型託卡馬克、弗朗西斯-比特磁鐵實驗室以及PSFC 進行的其他工作數十年來積累的深厚知識、專業技能和設備。他說：「這正是這樣一個地方的機構能力的核心所在。」我們有能力、基礎設施、空間和人員在同一個屋簷下完成這些工作。”

他說，與CFS 的合作也很關鍵，麻省理工學院和CFS 將學術機構和私人企業最強大的優勢結合在一起，共同完成了各自無法完成的任務。”例如，CFS 的主要貢獻之一是利用私人公司的力量，以前所未有的水平和時限為項目中最關鍵的材料建立和擴大供應鏈：300公里（186英里）長的高溫超導體在不到一年的時間內透過嚴格的品質控制採購到手，並如期整合到磁鐵中”。

他說，麻省理工學院和中心兩個團隊的整合也是成功的關鍵。”我們將自己視為一個團隊，這使我們有可能做到我們所做的一切”。

編譯自: ScitechDaily