不爱尖叫的鸡|详解“人造太阳”重大突破，MIT一次刊发7篇论文( 三 ) 9月29日

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图|庞大、精密、复杂的ITER一拖再拖，反复跳票（来源：OakRidgeNationalLaboratory）
新材料+旧设计=新可能
显然，假如要降低托卡马克装置的本钱和建造难度，一个好办法就是减小它的体积。
核聚变领域有一个重要的指标，叫做聚变能增益系数Q ，是核聚变反应开释的能量与为了维持核聚变所需要的能量的比值。在没有物理原理突破的情况下，要想实现比较高的Q值，托卡马克装置要么得有大尺寸，要么得有强磁场。 ITER设计于十几年前，概念设计甚至始于上世纪八十年代。其所使用的超导材料机能一般，为了达到Q=10目标，其等离子体大半径高达6.2米，给项目的技术和资金带来了巨大的挑战。
而这次MIT与CommonwealthFusionSystems团队给出的托卡马克小型化的办法，就是用更好的超导材料获得更强的磁场。
最近几年，超导材料领域泛起了重大突破。后发制人的SPARC项目，用上了比ITER好得多的新型高温超导材料——稀土钡铜氧化物。
为此，他们研究出了一种新型高温超导导电带，经由数千次类似磁场环境情况下的轮回之后，表现优异。在液氦温度下，仅有0.1mm厚、12mm宽的线缆可以通过5000安培的电流。与之比拟，平等截面积下的普通铜线，在常温下仅能安全通过约为6安培的电流。

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图|高温超导导电带（来源：SPARC）
【不爱尖叫的鸡|详解“人造太阳”重大突破，MIT一次刊发7篇论文】这样一来， SPARC就可以形成极其强盛的磁场。为了达到与ITER同样的Q值， SPARC的等离子体大半径只需要1.85米就可以了。半径缩小了3倍多，意味着体积将只有ITER的2% 。这个体积相当于一个中型反应堆的大小，但其强得多的磁场却让它可以提供50-100兆瓦的核聚变能量。
除此之外， SPARC其它设计原理都与ITER一模一样。 CommonwealthFusionSystems并不是独一一家从事可控核聚变研究的初创公司。美国的TAETechnologies和英国的FirstLightFusion也是这个领域的明星初创公司。但与他们比拟， CommonwealthFusionSystems的技术路线更加守旧，除了新材料以外，其它均是ITER经由验证的成熟设计。这意味着，其成功的几率要大得多。而大幅缩小的尺寸，意味着大幅降低的本钱和建造难度。
可能也恰是因为同样的原因， CommonwealthFusionSystems也是第一个将自己的进展以论文的形式向全世界宣布的私营公司。通过这些论文，我们得以对他们的研究一探毕竟。
新项目的新挑战
SPARC项目的第一阶段开始于2018年，计划到2021年之前完成这种小型化托卡马克的系统设计。目前，已经逐渐迭代进级到了最新的V2版本。

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图|目前的V2版本设计，蓝色的是超导线圈。（来源：Creelyetal.2020）
得益于近几年核聚变反应模拟计算的提高，高通量模型让他们预测出了SPARC在实际运行中的表现。计算发现， V2版本最高将可以达到Q≈9 ，经验公式更是显示可以达到Q≈11 ，实现140兆瓦的核聚变能量输出。即便是在非常守旧的运行情况下， SPARC也依然可以实现Q>2的设计目标，输出50兆瓦的功率。
尽管并不是所有人都认同这些结果的可靠程度，但显然MIT和CommonwealthFusionSystems对他们的结果充满信心。他们以为，项目的第二阶段建设将如期在明年7月左右开始，并在2025年完成最后的设计、建造和运行。
也就是说，尽管项目启动比ITER晚了12年，开工建设（假如可以顺利开工的话）也将比ITER晚8年，但因为小型化、低成本，他们取得成功的时间却可以比ITER提前10年。届时，他们将成为世界上第一个实现Q>1可控核聚变反应的团队，超过所有其它的政府和私家赞助的项目。