年半前，麻省理工學(xué)院與初創(chuàng)公司Commonwealth Fusion Systems簽訂了一項研究協(xié)議，以開發(fā)稱為SPARC的下一代融合研究實驗，作為實際無排放電廠的前身。

現(xiàn)在，經(jīng)過幾個月的深入研究和工程工作，負責(zé)定義和完善雄心勃勃的反應(yīng)堆設(shè)計背后的物理學(xué)的研究人員發(fā)表了一系列論文，總結(jié)了他們所取得的進展并概述了SPARC將實現(xiàn)的關(guān)鍵研究問題。

麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與融合中心副主任，該項目的首席科學(xué)家之一馬丁·格林瓦爾德說，總體而言，這項工作進展順利且進展順利。他說，這一系列論文為等離子體物理以及SPARC的性能預(yù)測提供了高度的信心。沒有出現(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，這為該設(shè)備一旦構(gòu)建便奠定了堅實的基礎(chǔ)。

格林沃爾德(格林瓦爾德)為七篇研究論文撰寫了引言，該論文由來自12個機構(gòu)的47名研究人員撰寫，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)驗物理基礎(chǔ)，該財團預(yù)計將于明年開始建造。

SPARC計劃成為有史以來第一個實現(xiàn)“燃燒等離子體”的實驗裝置，也就是說，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過的現(xiàn)象)被視為開發(fā)下一步的關(guān)鍵信息，這是實際的發(fā)電廠的工作原型。

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

盡管SPARC的設(shè)計規(guī)模是麻省理工學(xué)院現(xiàn)已退役的Alcator C-Mod實驗規(guī)模的兩倍，并且與目前正在運行的其他多個研究聚變反應(yīng)堆相似，但它的功能要強大得多，其聚變性能可與更大的ITER媲美國際財團正在法國建造反應(yīng)堆。超導(dǎo)磁體的進步使得小尺寸的高功率成為可能，超導(dǎo)磁體的發(fā)展允許更大的磁場限制熱等離子體。

SPARC項目于2018年初啟動，其第一階段的工作即超導(dǎo)磁體的開發(fā)正在迅速進行，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審的出版物中詳細概述了SPARC機器的基礎(chǔ)物理學(xué)基礎(chǔ)。這七篇論文探討了必須進一步完善的物理學(xué)的特定領(lǐng)域，并且仍然需要進行持續(xù)的研究以確定機器設(shè)計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試。 。

論文還描述了計算和仿真工具在SPARC設(shè)計中的使用，這些工??具已針對世界各地的許多實驗進行了測試。作者使用了在強大的超級計算機上運行的尖端仿真，這些仿真是為輔助ITER設(shè)計而開發(fā)的。新論文集中了由多個機構(gòu)組成的龐大研究團隊，旨在為SPARC機器設(shè)計帶來最佳的共識工具，以增強其實現(xiàn)其使命的信心。

到目前為止所做的分析表明，SPARC反應(yīng)堆的計劃聚變能輸出應(yīng)能夠滿足設(shè)計規(guī)范，并留有適度的余量。它的設(shè)計目的是使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，此時的計算表明，SPARC實際上可以實現(xiàn)10或更高的Q比。盡管格林瓦爾德(Greenwald)警告說，該團隊希望保持謹(jǐn)慎，不要過分承諾，但仍有大量工作要做，但到目前為止的結(jié)果表明，該項目至少將實現(xiàn)其目標(biāo)，特別是將達到其產(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，由COVID-19大流行引起的限制使進展緩慢了一點，但幅度并不大，研究人員根據(jù)新的操作指南又回到了實驗室。

總體而言，格林瓦爾德說：“總體而言，我們?nèi)杂媱澰?1年6月左右開始建設(shè)。” “物理工作與工程設(shè)計很好地結(jié)合在一起。我們試圖做的是將項目置于盡可能牢固的物理基礎(chǔ)上，以便我們對它的執(zhí)行方式充滿信心，然后提供指導(dǎo)和指導(dǎo)。在進行工程設(shè)計時回答問題。”

機器設(shè)計中的許多細節(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量關(guān)鍵參數(shù)的最佳方法為了監(jiān)視機器的運行。

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

他說，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。” 盡管該團隊的成員已經(jīng)在物理會議上討論了它的許多方面，但“這是我們第一個機會來講述我們的故事，對其進行審查，獲得認(rèn)可并向社會發(fā)布。”

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

他說，燃燒等離子體的細節(jié)“確實是新穎且重要的”。“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，總的來說，本文件包中介紹的分析工作已經(jīng)“有助于證實我們對實現(xiàn)任務(wù)的信心。我們沒有遇到任何我們要說的事情，'哦，這預(yù)示著我們不會到達我們想要的地方。” 簡而言之，他說：“結(jié)論之一是，一切仍在按計劃進行。我們相信這將會奏效。”