然而，一个磁体本身并不能构成托卡马克。去年，美国国家科学院、工程院和医学院的一份报告发现：为了在 2040 年使原型聚变发电站成为现实，该领域要克服的技术挑战仍然非常多。其中需要有能够承受来自等离子体的热量和中子轰击的材料，以及要找到从真空室排出热氦气的更好方案。 Mumgaard 也赞成这些问题必须解决，但他同时也认为：在强磁场下的紧凑型托卡马克中，这些问题解决起来都将更加容易。 MIT 的等离子体物理学家兼工程师 Dennis Whyte 表示：「新磁体可能标志着所有聚变开发人员对未来反应堆的设想发生了翻天覆地的变化。」 「瓶子」里的太阳 聚变是为太阳提供能量的过程，即两个小原子合并成一个大原子，并且释放出巨大的能量。但这一过程所需要的温度远远超过任何固体材料所能承受的温度。要想在地球上捕获太阳的能量源，我们需要的是一种捕获和容纳高温物质的方法，这个温度高达 100,000,000 以上，方法是让物质悬浮起来，避免接触任何固体。 这是通过强磁场来实现的。磁场就像一个无形的瓶子，里面装着炽热的旋转质子和电子汤，即等离子体。由于这些粒子带有电荷，容易受到磁场的强烈控制，可以使用托卡马克装置容纳它们。这些设备中的大多数都是使用铜制成的传统电磁体产生磁场，但法国正在建设的 ITER 使用的是低温超导体。 MIT-CFS 聚变设计的主要创新是使用了高温超导体，这使得在更小的空间中可以产生更强的磁场。几年前，一种新型超导材料上市，使这种设计成为可能。这个想法最初来自 Whyte 教授核工程课程中一个课堂项目。该想法似乎很有希望，在接下来的几次迭代中继续发展。2015 年初，研究者提出了 ARC 发电站的设计概念。SPARC 的设计尺寸约为 ARC 的一半，是一个试验台，用于在建造全尺寸发电站之前证明这一概念。 到目前为止，要想获得强大的磁场，创造一个能够容纳加热到数亿度的等离子体的磁「瓶」，唯一的方法就是把它们变得越来越大。但新型高温超导材料以扁平、带状的形式制成，使得在较小的设备中获得更强大的磁场成为可能，与使用传统低温超导磁体的体积大 40 倍的设备的性能相当。这种功率与尺寸之间的飞跃是 ARC 革命性设计的关键因素。 新的高温超导磁体的使用，使得从托卡马克实验操作中获得的几十年的实验知识得以应用，此外还有益于 MIT 的 Alcator 项目。Alcator 是 MIT 首席研究员 Zach Hartwig、核科学与工程职业发展助理教授 Robert N. Noyce 领导的一项新研究，采用了一种著名的设计，由于磁场变强，他们可将所有部件的尺寸缩小到线性尺寸的一半左右，并且仍能达到相同的操作条件。
去年研究者发表的一系列科学论文证实了这个新聚变装置的可行性。论文表明，如果磁体按预期工作，整个聚变系统确实会产生净功率输出，这是几十年来聚变研究的第一次。 PSFC 的副主任和高级研究科学家 Martin Greenwald 表示：「和其他聚变实验设计不同，我们的研究定位是使用传统的等离子物理学、传统的托卡马克设计和工程，但将新的磁体技术引入进来。因此，我们不需要在多个不同的领域进行创新，而是专注于磁体，然后应用过去几十年学到的知识。」 「这是一个重要时刻， 由于对这些机器进行了数十年的研究，我们现在拥有一个在科学上非常先进的平台，而且在商业上也非常有趣。它的作用是让我们能够更快地构建更小的核聚变装置，同时降低成本。」CFS 的首席执行官 Bob Mumgaard 说道。 概念证明 将这种新的磁体概念变为现实，是一个超大规模的工程，需要三年时间，进行密集设计、建立供应链和制造磁体，这些磁体最终可能需要由数千人生产。 CFS 运营主管 Joy Dunn 说：「我们制造了首创的超导磁体。创造独特的制造工艺和设备需要大量的工作。现在，我们已经做好了加速 SPARC 创建进程的准备。我们从一个物理模型和一个 CAD 设计开始，经过大量的开发和原型设计，将纸上的设计变成了真正的物理磁体。」这需要具备强大的制造能力和测试设施，其中涉及与多个超导带材供应商共同推进的迭代过程，以帮助他们提高生产符合规格的材料的能力。 他们同时使用了两种可能的磁体设计，最终都满足了设计要求。Dunn 说：「最终两种设计要比较的是哪一种会彻底改变制造超导磁体的方式，哪一种更容易制造。」他们采用的设计在这方面非常突出。 在本次测试中，新磁体通过一系列步骤逐渐通电，直到达到 20 特磁场的目标——这是高温超导聚变磁体有史以来的最高场强。这块磁体由 16 块板叠在一起组成，每块板本身就是世界上最强大的高温超导磁体。 Mumgaard 说：「三年前，我们宣布了一项计划，建造一个 20 特的磁体，这是未来聚变机器所需要的。」该目标现已按计划实现。 下一步将是建造 SPARC，这是计划中的 ARC 发电站的小规模版本。SPARC 的成功运行将证明一个全面的商业核聚变发电站是可行的，将为快速设计和建造开创性装置铺平道路。 MIT 研究院副院长 Maria Zuber 说：「从新磁体的表现来看，SPARC 可以产生净正能量，这让我非常高兴。我们下一步要做的是扩大规模，建造一座真正的发电站。前方仍有许多挑战，其中最重要的是开发一种允许可靠、持续运行的设计。另外基于商业化的目标，还有一个主要的挑战将是经济，即成本效益。」
MIT 研究院副院长 Maria Zuber 让核聚变发电成为未来清洁能源的核心是人们一直努力的目标，因此成功创建发电聚变装置将是一项巨大的科学成就。正如 Zuber 所说：「在这条路上，我们没有想过赢得任何奖励，我们只是在努力保持这个星球的宜居。」 参考链接：https://news.mit.edu/2021/MIT-CFS-major-advance-toward-fusion-energy-0908https://www.science.org/content/article/powerful-electromagnet-could-help-make-fusion-energy-reality
