驗證新融合實驗背後的物理學

兩年半前，麻省理工學院（MIT）與初創公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）籤訂了一項研究協議，以開發稱為SPARC的下一代融合研究實驗，作為實際無排放電廠的前身。

現在，經過幾個月的深入研究和工程工作，負責定義和完善雄心勃勃的反應堆設計背後的物理學的研究人員發表了一系列論文，總結了他們所取得的進展並概述了SPARC將實現的關鍵研究問題。

總體而言，這項工作進展順利，這一系列論文為等離子體物理以及SPARC的性能預測提供了高度的信心，沒有出現意料之外的障礙或意外，其餘的挑戰似乎是可以控制的，這為該設備一旦構建便奠定了堅實的基礎。

涉及七組研究論文，由12個機構的47名研究人員撰寫，發表在《等離子體物理學》雜誌上，這些文件共同概述了新聚變系統的理論和經驗物理基礎，該財團預計將於明年開始建造。

SPARC計劃成為有史以來第一個實現「燃燒等離子體」的實驗裝置，也就是說，該反應是一種自我維持的聚變反應，其中氫元素的不同同位素融合在一起形成氦，而無需任何進一步的輸入能源，研究這種燃燒的等離子體的行為，這是地球上以前從未以受控的方式出現過的事情，被視為開發下一步的關鍵信息，這是實際的發電廠的工作原型。

這種聚變電廠可能會大大減少發電部門的溫室氣體排放，而發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域進行的最大的私人研究與開發項目之一。

儘管SPARC的設計規模是麻省理工學院現已退役的Alcator C-Mod實驗規模的兩倍，並且與目前正在運行的其他多個研究聚變反應堆相似，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堆，超導磁體的進步使小尺寸的高功率成為可能，超導磁體允許更大的磁場限制熱等離子體。

SPARC項目於2018年初啟動，其第一階段的工作即超導磁體的開發正在迅速進行，該超導磁體將允許構建較小的聚變系統。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機器的基礎物理學基礎。這七篇論文探討了必須進一步完善的物理學的特定領域，並且仍然需要進行持續的研究以確定機器設計的最終要素以及隨著發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。作者使用了在功能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設計而開發的。新論文集中了由多個機構組成的龐大研究團隊，旨在為SPARC機器設計帶來最佳的共識工具，以增強其實現其使命的信心。

到目前為止所做的分析表明，SPARC反應堆的計劃聚變能輸出應能夠滿足設計規範，並留有適度的餘量，它的設計目的是使Q因子（表示聚變等離子體效率的關鍵參數）至少達到2，本質上意味著產生的聚變能量是泵入產生反應的能量的兩倍。那將是任何形式的聚變等離子體產生的能量多於其消耗的能量的第一次。

根據新論文，此時的計算表明，SPARC實際上可以實現10或更高的Q比，儘管該團隊希望保持謹慎，不要過分承諾，但仍有大量工作要做，但到目前為止的結果表明，該項目至少將實現其目標，特別是將達到其產生燃燒血漿的關鍵目標，其中自我-加熱控制能量平衡。

Covid-19大流行造成的局限性稍微減緩了進展，但幅度不大，研究人員根據新的操作指南又回到了實驗室。

總體而言，他們仍計劃在21年6月左右開始建設，物理工作與工程設計很好地結合在一起，他們要做的是將項目置於儘可能牢固的物理基礎上，以便對它的執行方式充滿信心，然後提供指導。

機器設計中的許多細節仍在制定中，涵蓋了向設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鍵參數的最佳方法為了監視機器的運行。

到目前為止，總體設計僅進行了很小的更改，反應堆的直徑增加了約12％，但幾乎沒有改變，總會有或多或少的問題，其中涉及很多因素，工程問題、機械應力、熱應力、還有物理問題如何影響性能機器的？

關於燃燒等離子體的物理學還有很多知識要學習，一旦這臺機器啟動並運行，就可以獲得關鍵信息，這將有助於為商業化，發電的聚變設備鋪平道路，聚變設備的燃料是氫同位素氘和氚幾乎可以無限供應。

燃燒等離子體的細節確實是新穎且重要的，他們必須克服的問題是要了解這種等離子體的自熱狀態。