年半前，麻省理工學(xué)院與初創(chuàng)公司Commonwealth Fusion Systems簽訂了一項(xiàng)研究協(xié)議，以開(kāi)發(fā)稱(chēng)為SPARC的下一代融合研究實(shí)驗(yàn)，作為實(shí)際無(wú)排放電廠的前身。

現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的深入研究和工程工作，負(fù)責(zé)定義和完善雄心勃勃的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)背后的物理學(xué)的研究人員發(fā)表了一系列論文，總結(jié)了他們所取得的進(jìn)展并概述了SPARC將實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵研究問(wèn)題。

麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與融合中心副主任，該項(xiàng)目的首席科學(xué)家之一馬丁·格林瓦爾德說(shuō)，總體而言，這項(xiàng)工作進(jìn)展順利且進(jìn)展順利。他說(shuō)，這一系列論文為等離子體物理以及SPARC的性能預(yù)測(cè)提供了高度的信心。沒(méi)有出現(xiàn)意料之外的障礙或意外，其余的挑戰(zhàn)似乎是可以控制的。據(jù)格林瓦爾德說(shuō)，這為該設(shè)備一旦構(gòu)建便奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

格林沃爾德(格林瓦爾德)為七篇研究論文撰寫(xiě)了引言，該論文由來(lái)自12個(gè)機(jī)構(gòu)的47名研究人員撰寫(xiě)，今天發(fā)表在“等離子體物理學(xué)雜志”的特刊中。這些文件共同概述了新聚變系統(tǒng)的理論和經(jīng)驗(yàn)物理基礎(chǔ)，該財(cái)團(tuán)預(yù)計(jì)將于明年開(kāi)始建造。

SPARC計(jì)劃成為有史以來(lái)第一個(gè)實(shí)現(xiàn)“燃燒等離子體”的實(shí)驗(yàn)裝置，也就是說(shuō)，該反應(yīng)是一種自我維持的聚變反應(yīng)，其中氫元素的不同同位素融合在一起形成氦，而無(wú)需任何其他能量輸入。研究這種燃燒的等離子體的行為(一種以受控方式在地球上從未見(jiàn)過(guò)的現(xiàn)象)被視為開(kāi)發(fā)下一步的關(guān)鍵信息，這是實(shí)際的發(fā)電廠的工作原型。

這種聚變電廠可能會(huì)大大減少發(fā)電部門(mén)的溫室氣體排放，而發(fā)電部門(mén)是全球這些排放的主要來(lái)源之一。MIT和CFS項(xiàng)目是有史以來(lái)在融合領(lǐng)域開(kāi)展的最大的私人研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目之一。

盡管SPARC的設(shè)計(jì)規(guī)模是麻省理工學(xué)院現(xiàn)已退役的Alcator C-Mod實(shí)驗(yàn)規(guī)模的兩倍，并且與目前正在運(yùn)行的其他多個(gè)研究聚變反應(yīng)堆相似，但它的功能要強(qiáng)大得多，其聚變性能可與更大的ITER媲美國(guó)際財(cái)團(tuán)正在法國(guó)建造反應(yīng)堆。超導(dǎo)磁體的進(jìn)步使得小尺寸的高功率成為可能，超導(dǎo)磁體的發(fā)展允許更大的磁場(chǎng)限制熱等離子體。

SPARC項(xiàng)目于2018年初啟動(dòng)，其第一階段的工作即超導(dǎo)磁體的開(kāi)發(fā)正在迅速進(jìn)行，該超導(dǎo)磁體將允許構(gòu)建較小的聚變系統(tǒng)。新的論文集是第一次在同行評(píng)審的出版物中詳細(xì)概述了SPARC機(jī)器的基礎(chǔ)物理學(xué)基礎(chǔ)。這七篇論文探討了必須進(jìn)一步完善的物理學(xué)的特定領(lǐng)域，并且仍然需要進(jìn)行持續(xù)的研究以確定機(jī)器設(shè)計(jì)的最終要素以及隨著發(fā)電廠工作而涉及的操作程序和測(cè)試。 。

論文還描述了計(jì)算和仿真工具在SPARC設(shè)計(jì)中的使用，這些工??具已針對(duì)世界各地的許多實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試。作者使用了在強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的尖端仿真，這些仿真是為輔助ITER設(shè)計(jì)而開(kāi)發(fā)的。新論文集中了由多個(gè)機(jī)構(gòu)組成的龐大研究團(tuán)隊(duì)，旨在為SPARC機(jī)器設(shè)計(jì)帶來(lái)最佳的共識(shí)工具，以增強(qiáng)其實(shí)現(xiàn)其使命的信心。

到目前為止所做的分析表明，SPARC反應(yīng)堆的計(jì)劃聚變能輸出應(yīng)能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，并留有適度的余量。它的設(shè)計(jì)目的是使Q因子(表示聚變等離子體效率的關(guān)鍵參數(shù))至少達(dá)到2，本質(zhì)上意味著產(chǎn)生的聚變能量是泵入產(chǎn)生反應(yīng)的能量的兩倍。那將是任何形式的聚變等離子體產(chǎn)生的能量多于其消耗的能量的第一次。

根據(jù)新論文，此時(shí)的計(jì)算表明，SPARC實(shí)際上可以實(shí)現(xiàn)10或更高的Q比。盡管格林瓦爾德(Greenwald)警告說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)希望保持謹(jǐn)慎，不要過(guò)分承諾，但仍有大量工作要做，但到目前為止的結(jié)果表明，該項(xiàng)目至少將實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)，特別是將達(dá)到其產(chǎn)生燃燒血漿的關(guān)鍵目標(biāo)，其中自我-加熱控制能量平衡。

他說(shuō)，由COVID-19大流行引起的限制使進(jìn)展緩慢了一點(diǎn)，但幅度并不大，研究人員根據(jù)新的操作指南又回到了實(shí)驗(yàn)室。

總體而言，格林瓦爾德說(shuō)：“總體而言，我們?nèi)杂?jì)劃在21年6月左右開(kāi)始建設(shè)。” “物理工作與工程設(shè)計(jì)很好地結(jié)合在一起。我們?cè)噲D做的是將項(xiàng)目置于盡可能牢固的物理基礎(chǔ)上，以便我們對(duì)它的執(zhí)行方式充滿信心，然后提供指導(dǎo)和指導(dǎo)。在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)回答問(wèn)題。”

機(jī)器設(shè)計(jì)中的許多細(xì)節(jié)仍在制定中，涵蓋了向設(shè)備中注入能量和燃料，切斷電源，處理任何突然的熱或電源瞬變以及如何以及在何處測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)的最佳方法為了監(jiān)視機(jī)器的運(yùn)行。

到目前為止，總體設(shè)計(jì)只做了很小的改動(dòng)。格林瓦爾德說(shuō)，反應(yīng)堆的直徑增加了約12%，但幾乎沒(méi)有其他改變。“總會(huì)有更多的問(wèn)題，少一些的問(wèn)題，其中涉及很多因素，包括工程問(wèn)題，機(jī)械應(yīng)力，熱應(yīng)力，還有物理問(wèn)題，您如何影響產(chǎn)品的性能?機(jī)器嗎?”

他說(shuō)，該期特刊的出版，“代表了摘要，是當(dāng)今物理學(xué)基礎(chǔ)的快照。” 盡管該團(tuán)隊(duì)的成員已經(jīng)在物理會(huì)議上討論了它的許多方面，但“這是我們第一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)講述我們的故事，對(duì)其進(jìn)行審查，獲得認(rèn)可并向社會(huì)發(fā)布。”

格林瓦爾德說(shuō)，關(guān)于燃燒等離子體的物理學(xué)仍有很多知識(shí)，一旦這臺(tái)機(jī)器啟動(dòng)并運(yùn)行，就可以獲得關(guān)鍵信息，這將有助于為商業(yè)化，發(fā)電的聚變?cè)O(shè)備鋪平道路，聚變?cè)O(shè)備的燃料是氫。同位素氘和tri幾乎可以無(wú)限供應(yīng)。

他說(shuō)，燃燒等離子體的細(xì)節(jié)“確實(shí)是新穎且重要的”。“我們必須克服的高山是要了解這種等離子體的自熱狀態(tài)。”

格林瓦爾德說(shuō)，總的來(lái)說(shuō)，本文件包中介紹的分析工作已經(jīng)“有助于證實(shí)我們對(duì)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的信心。我們沒(méi)有遇到任何我們要說(shuō)的事情，'哦，這預(yù)示著我們不會(huì)到達(dá)我們想要的地方。” 簡(jiǎn)而言之，他說(shuō)：“結(jié)論之一是，一切仍在按計(jì)劃進(jìn)行。我們相信這將會(huì)奏效。”