MIT將核聚變裝置成本壓縮數十倍？真的嗎？_風聞
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採用高温超導磁體真的可以將裝置尺寸和成本降低數十倍嗎？要回答這些問題，首先我們得搞清楚MIT團隊在高温超導磁體方面究竟取得了什麼進展。
撰文 | 史善爽
最近，可控核聚變領域有一個大新聞。有些媒體的報道標題是《MIT團隊證明高温超導體可用於核聚變，將核聚變裝置成本壓縮數十倍》。
這是真的嗎？其實稍微想想就會發現，“成本壓縮數十倍”是個很奇怪的説法，因為高温超導體只佔核聚變裝置的一部分，即使這部分的成本降到原來的幾十分之一甚至降到0，也不可能把整個裝置的成本降到原來的幾十分之一。這就好比有人説把汽車發動機的成本壓縮了幾十倍，這固然很好，但這絕不等於整台汽車的成本壓縮了幾十倍。因此，這個報道至少是有點標題黨的嫌疑。
不過拋開標題黨問題，這個成果究竟是什麼呢？實際上是，麻省理工學院等離子體科學與聚變中心（Plasma Science and Fusion Center，PFSC）及其衍生公司Commenwealth Fusion System (CFS) 團隊在 IEEE Transactions on Applied Superconductivity 以3月特刊的形式，集中發表了 6 篇論文，系統介紹了MIT在大型高温超導磁體（high-temperature superconductor，簡稱HTS）設計製造和性能評估等相關成果，宣稱該磁體可應用於未來聚變堆中，併成功通過了嚴格的性能測試。
PFSC原主任 Dennis Whyte表示：“高温超導磁體的成功測試，是過去 30 年聚變研究中最重要的事情。”
核聚變已經進入高温超導時代了嗎？採用高温超導磁體真的可以將裝置尺寸和成本降低數十倍嗎？要回答這些問題，首先我們得搞清楚MIT團隊在高温超導磁體方面究竟取得了什麼進展。
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從模型線圈TFMC到緊湊型聚變裝置SPARC
2018年，在意大利石油公司ENI的資助下，MIT PSFC團隊開始研製縱場磁體模型線圈（Toroidal Field Model Coil，簡稱TFMC），項目經費約5000萬美元，旨在驗證將大型高温超導磁體應用在其自主設計的緊湊型聚變堆SPARC中的可行性。TFMC線圈總重約10噸，採用稀土氧化銅鋇（Rare Earth Barium Copper Oxide，簡稱REBCO）高温超導材料，運行電流40 kA，磁場強度可達20.1 T，磁體運行温度20 K，採用超臨界氦冷卻。
該模型線圈在2021年建成，併成功完成相關性能測試。隨後，2021年11月，MIT及其衍生公司CFS宣佈已完成超過18億美元的B輪融資，主要用於建造和運營SPARC裝置。這是迄今為止核聚變領域最大的單筆融資，投資人包括比爾·蓋茨、谷歌以及當初資助TFMC項目的意大利公司ENI等。在CFS創紀錄的融資刺激下，一度引領了對核聚變領域的投資熱，短時間內誕生了多家核聚變初創公司，包括中國的能量奇點、星環聚能等。
前文提到的在IEEE TAS上以特刊形式發佈的那6篇論文，其實是關於MIT在2018-2021年期間關於TFMC模型線圈的相關研究成果的介紹，並不是最新的研究進展，也不是針對於其在建的SPARC裝置。劃重點，這6篇論文説的是到2021年為止的成果，所以説如果有什麼“突破”，那也是幾年前的“突破”了，完全不是最新突破。
不過無論它是什麼時間的研究，MIT的TFMC確實是全球首個基於高温超導的大口徑高場強的聚變堆量級的磁體線圈。因此，人們才會產生無限遐想：高温超導全面應用於聚變堆，是不是指日可待？
然而現實遠遠沒有想象中豐滿。首先，從單個HTS線圈的成功測試到可以在複雜等離子體工況下穩定運行，有相當大的距離。現在是單個10噸體量的TFMC單獨測試，而將來需要的是SPARC裝置18個20噸體量的正式TF磁體聯合運行，這兩者之間相差甚遠。尤其在真正運行時，還需要考慮等離子體破裂（MDE）、垂直位移（VDE）等極端工況。
簡言之，目前大尺寸高温超導磁體技術還遠不夠成熟。正因為如此，歐盟自主設計的下一代核聚變示範堆EU-DEMO，仍然採用的是目前相對成熟的低温超導（LTS）磁體方案。
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高温超導磁體與緊湊型聚變堆
MIT的TFMC模型線圈測試完成之後，為聚變堆小型化提供了一個重要可能。顯然，在聚變功率不變的前提下，為裝置瘦身，是壓縮成本最直接有效的方式。從經濟效益上講，核聚變建造成本與產出比只有與目前的風光電等相當或更優的情況下，才會有商業化價值。因此，高温超導磁體技術一旦成熟，確實可以加速推動聚變堆的商業化進程。
那麼問題來了，為什麼高温超導磁體有望顯著縮小聚變堆尺寸呢？
回答這個問題，首先得引入兩個概念，能量增益因子Q（Energy Gain）和聚變功率密度（Fusion Power Density）。前者指的是能量產出與輸入的比值Q，通常認為Q值要大於10甚至20，才有商用的價值。後者指的是在面向等離子體的單位面積上，產生的聚變功率。
可以看到，能量增益和聚變功率密度分別與磁場強度的3次方和4次方成正比。因此，提高磁場強度可以顯著提升聚變堆能量增益和功率密度。
舉個簡單例子，國際熱核聚變實驗堆（ITER）目前的設計Q值為10，聚變功率為500MW。如果ITER採用高温超導磁體，將磁場強度提高到現有的2倍，而Q值仍然保持在10，那麼理論上，裝置等離子體半徑大約可以縮小到現有的1/5，同時功率密度提高到現有的3倍。這樣算下來，是不是很誘人？
但是這裏要注意，在尺寸縮小的同時，面向等離子體的有效面積也縮小了，由此會導致總功率下降。還是前面的例子，表面積與半徑的平方成正比，所以會縮小為原有的1/25。雖然功率密度提高到3倍，但最終的聚變功率卻會降到原來的3/25，只剩下60 MW了。
理解了這些原理，我們再來回顧一下MIT的SPARC裝置設計參數。它與ITER裝置的參數對比，基本也符合前述的例子，只是參數上略有調整。
這裏需要注意：SPARC對外宣稱的Q = 11，功率140 MW，是在12.2 T的高約束模式（H mode）的條件下的理論值，而在12.2 T的低約束模式（L mode）條件下，Q值只有2.2, 功率只有55 MW。此外，SPARC還考慮了8 T低場運行模式，該模式在H mode下運行時，Q值為1.6，聚變功率僅為17 MW，略高於歐洲聯合環（JET）在1997年達到的16.1 MW。
綜上所述，由於高温超導磁體高場強的特點，在同等參數條件下，採用高温超導磁體確實可以將聚變堆的尺寸顯著縮小。但是聚變堆的尺寸也不是越小越好，由於聚變功率主要是通過面向等離子體第一壁的熱交換實現，另外考慮到未來氚燃料的增殖也是通過第一壁，這就必然要求裝置內部表面積要達到一定的規模。
這一點，從MIT及CFS在SPARC之後，規劃的下一代高温超導聚變堆ARC裝置的參數也可以得到印證。ARC裝置聚變功率500 MW，與ITER相同，大半徑3.3 m，約為ITER的一半，磁場強度9.2 T，不到ITER的2倍。這應該算是比較合理的緊湊型聚變堆的規模，建造成本每瓦5-10美元，與目前核裂變電站的建造成本相當。
至於前文提到的“成本和尺寸都能縮小40倍”，更多的是一種博人眼球的説法。
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目前高温超導磁體在聚變堆應用的主要難點
聚變堆採用高温超導磁體，不僅可以對裝置進行緊湊化設計，還在增強等離子體約束能力、提升運行參數等方面具有很大的潛力。不過，大口徑的高温超導磁體在聚變裝置上能否成功應用，還有很大的不確定性。要廣泛應用到聚變堆上，從經濟性和技術成熟度方面，均需要進一步提高。
I.結構強度問題
高温超導磁體採用的是，具有多層封裝結構的塗層導體材料。塗層導體對橫向拉應力有一定的抵抗力（10 - 100 MPa），但容易發生局部分層。這種情況在大口徑跑道型超導線圈勵磁過程中特別容易發生，當線圈部分地方出現過大的應力釋放或洛倫茲力，會使線圈或部分帶材出現撕裂或拱起變形現象。
足夠的分層強度（delamination strength），是超導線圈能否扛得住一次次電磁循環、温度循環等嚴苛聚變堆磁體工況的關鍵。從MIT公佈的TFMC相關論文來看，並沒有充分體現。
為了提高導體強度，MIT採用了一種VIPER結構，類似於聚變堆導體的CICC（cable in conduit coil）結構。在直徑約20 mm的銅芯上，挖出多條截面約4 mm ×4 mm螺旋狀的槽，將HTS帶材鑲嵌其中。銅線中心再開有冷卻通道，利用超臨界氦進行導體降温。銅線外部再包覆不鏽鋼的外殼，增加結構強度。
對於上述VIPER結構的強度，MIT近年來做了多次高場大電流載荷（high I × B load）下的性能實驗。如在電磁載荷I × B = 382 kN/m (10.9T × 35.0 kA) 循環500次後，導體載流能力Ic下降3.4%,，循環1550次後，下降3.8 - 4.1%。
MIT的測試載荷與ITER的電磁載荷是相當的，ITER值約為361 kN/m（5.3T × 68 kA），這主要由磁體線圈的機械強度決定的。由於磁體結構材料強度限制（SS316在低温條件下約為660 MPa），HTS磁體增高磁場的同時，需要降低運行電流。
II. 失超保護問題
當超導體的温度、磁場或電流中的任一參數超過臨界值，超導磁體都會發生相變，成為常規導體，此過程稱為失超。失超非常危險，此時大電流產生的電阻熱將發生堆積，如果不能第一時間切斷電源，將會造成線圈燒燬。
高温超導材料由於具有高的熱容量和臨界温度， HTS可以運行在比LTS更寬的温度區間，使得其失超傳播速度（Quench Propagation Velocity，簡稱QPV）要低於低温超導材料兩到三個數量級。這會使局部失超很難及時檢測到，導致失超不斷累積和放大，從而對線圈造成永久性的破壞。實際上，SPARC已經燒了兩個線圈。這已成為制約高温超導磁體線圈發展的關鍵瓶頸問題。
目前ITER的超導磁體失超檢測主要基於電壓測量。為了檢測到磁體系統任何部分可能發生的失超，總計有超過3000個電壓測量傳感器，以規則的距離集成到 ITER 的線圈和磁體饋線上，可以實現2 - 3秒內檢測失超並執行失超保護措施。
而對於高温超導而言，由於QPV遠低於ITER的低温超導，電壓檢測的靈敏度很難滿足要求。利用光纖進行温度檢測，進而實現對失超的預測，是目前高温超導失超保護的一個研究方向。MIT在其VIPER電流引線中也做過類似的探索，不過由於光纖的易碎性，將其集成到在大口徑的磁體線圈中並穩定運行也是一個挑戰。
III. 裝置維護問題（可拆卸性）
在未來商業運行的聚變電站真空室內部，部件定期的維護和更換不可避免。而如前文所述，高温超導緊湊型堆具有更高的功率密度，這也意味着真空室內部面向等離子體的部件將面臨更高的熱載荷。目前ITER的方案是對內部440塊包層以及54塊偏濾器進行模塊化設計，可通過遠程操作的方式分別從中窗口和下窗口拆卸和更換，維護和更換週期長達數月之久。而高温超導聚變堆由於緊湊化的設計，各個磁場之間間隙很小，無法佈置相對較大的維護窗口，通過小窗口進行維護的可行性及效率都有待商榷。
MIT 針對他們的下一代商用堆ARC裝置，提出了可拆卸真空室的方案。需要注意的是，該方案是建立在TF磁體分段設計的前提下。由於 REBCO 高温超導帶允許在超導線圈中使用電阻接頭，因此 TF 線圈可以製成兩部分。
結束語
限於篇幅，本文還有很多技術問題沒有探討，例如SPARC去掉了超導帶周圍的絕緣層，這引起了很多質疑。不過總體而言，高温超導體在實現商用核聚變方面，有望發揮非凡的作用。對於ITER之後要建設的工程示範堆DEMO，這種材料並不是必需的。但對於將來希望用於商業發電的緊湊型聚變堆，它就有獨特的優勢。雖然還有諸多技術瓶頸需要突破，MIT及CFS亦或其他一些公司在緊湊堆上的探索可能不會一帆風順，但值得所有人尊重。科學的進步、技術的迭代從來不是一蹴而就的，我們需要保持一定的耐心，靜待花開。
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