近日，麻省理工学院（MIT）研究团队在国际权威期刊《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》上连发六篇论文，揭示其研发的一种新型高温超导磁体技术的重大突破。该技术有望将可控核聚变装置——托卡马克的体积与成本压缩至原先的四十分之一，并已成功通过科学界严谨的测试和论证。
前 MIT 等离子体科学与聚变中心主任丹尼斯·G·怀特教授对此评价道：“在我看来，HTS 的成功测试堪称过去 30 年聚变研究历程中最重大的里程碑事件。”长久以来，尺寸和成本两大难题一直制约着核聚变装置的实际应用。传统超导磁体因体积庞大、需容纳大量超导线圈及冷却系统而受限，但借助这项创新技术，可大幅度缩小磁体占用空间，使其适应更多场景需求，并通过减小体积有效降低制造和运行成本。
值得注意的是，在地球上实现核聚变发电是一个极具挑战性的任务，不仅需要攻克一系列复杂的科学问题，还需要数十亿美元级别的巨额投入。然而，核聚变作为理想的无限清洁能源来源，其产生的能量远超消耗能量，且在整个过程中无温室气体排放，同时氘氚燃料可以从丰富的海水中提取，具有显著优势。近年来，一种名为稀土氧化铜钡（REBCO）的新型高温超导材料被应用于核聚变磁体中，彻底颠覆了上一代超导体的设计原理。怀特教授强调：“这不是对现有磁体设计的小修小补，而是对其构建原理的根本性革新。”
在这批新发表的论文中，研究人员详细描述了使用专利技术重新设计基于REBCO材料的磁体过程，并提出了一项备受瞩目的创新：通过简化制备流程，去除超导带周围的绝缘层。这一做法打破了传统电线和旧式超导磁体必须依赖绝缘层防止短路的固有观念，工程师们在新型磁铁中成功实现了在无绝缘保护下，以高于REBCO材料本身的高导电率安全传输电流，尽管此举在业内引发了不少专业质疑。
早在2021年9月，MIT 工程师携手美国初创公司 Commonwealth Fusion Systems (CFS) 制造出这种新型 HTS 超导磁体，并成功达到建造核聚变发电厂所需的20特斯拉磁场强度，刷新了同类磁体的世界纪录。这款磁体助力的实用型聚变反应堆技术更是荣登2022年《麻省理工科技评论》评选的“全球十大突破性技术”榜单。
双方合作开发的紧凑型聚变装置 SPARC 尺寸虽与中型装置相当，但拥有更强的磁场。SPARC 设计参数为长半径1.85米、短半径0.57米，能够在12.2T环形场和8.7MA等离子体电流下运作，产生高达50-100MW的聚变功率。
为了全面验证新型HTS磁体的稳定性与安全性，工程师们进行了细致入微的组件拆解检查，深入分析了数百台精密仪器记录的详尽测试数据，并对同一磁体进行了两次额外极限测试。其中最具挑战性的测试环节是模拟设备遭受电源完全切断导致的灾难性过热现象，即淬火效应，这是此类磁铁运行可能遭遇的最恶劣条件之一，极有可能造成设备损坏。
哈特维格教授在接受媒体采访时指出：“我们的目标是启动并故意使全尺寸磁体经历淬灭过程，以便在实际尺度和条件下获取关键数据，进而验证设计代码，推动实验进展。”
经过严格测试与分析，MIT团队在六篇论文中详实记录了设计、制造磁体以及测评磁体性能所需的各种诊断设备，并总结了整个研究过程中的宝贵经验。他们成功验证了预测模型和计算机模拟结果，证明基于HTS特性的磁体完全能够成为支撑核聚变发电的基础技术。
参考文献：
1. https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=10348035&punumber=77
2. https://news.mit.edu/2024/tests-show-high-temperature-superconducting-magnets-fusion-ready-0304
3. https://scitechdaily.com/mits-fusion-breakthrough-unlocking-star-power-with-superconducting-magnets/
4. https://news.mit.edu/2021/MIT-CFS-major-advance-toward-fusion-energy-0908
5. https://www.psfc.mit.edu/sparc
6. https://www.psfc.mit.edu/research/topics/high-field-pathway-fusion-power
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