驗證麻省理工學院新設計的聚變實驗背後的物理原理

2020-10-11 工程學習


SPARC的渲染，一個緊湊，高場，DT燃燒託卡馬克，目前正在設計由一個團隊從麻省理工學院和聯邦聚變系統。它的任務是創造和限制產生淨聚變能的等離子體。資料來源:CFS/MIT-PSFC - CAD繪製by T. Henderson

兩年半前，麻省理工學院與初創公司聯邦聚變系統(Commonwealth Fusion Systems)籤訂了一項研究協議，以開發下一代聚變研究實驗項目SPARC，作為一個實際的、零排放的發電廠的先驅。

現在，經過幾個月的密集研究和工程工作，負責定義和完善這個雄心勃勃的反應堆設計背後的物理原理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。

麻省理工學院等離子科學與聚變中心副主任、該項目首席科學家之一馬丁·格林沃爾德說，總的來說，這項工作進展順利，正按計劃進行。他說，這一系列的論文為等離子體物理學和SPARC的性能預測提供了高度的信心。沒有意外的障礙或意外出現，剩下的挑戰似乎是可控的。據格林沃爾德說，這為該設備的運行打下了堅實的基礎。

格林沃爾德為來自12個機構的47名研究人員撰寫的7篇研究論文撰寫了序言，並於今天在《等離子物理雜誌》的特刊上發表。這兩篇論文共同概述了新聚變系統的理論和經驗物理基礎，該聯盟預計將在明年開始建造。

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——也就是一種自我維持的聚變反應，在這種聚變反應中，氫元素的不同同位素融合在一起形成氦，而不需要進一步輸入任何能量。研究這種燃燒等離子體的行為——以前在地球上從未見過的受控形態——被視為發展下一步的關鍵信息，即一個實際的發電電廠的工作原型。

這種核聚變發電廠可能會顯著減少發電部門的溫室氣體排放，而發電部門是全球溫室氣體排放的主要來源之一。麻省理工學院和CFS項目是核聚變領域有史以來最大的私人資助研究和開發項目之一。

SPARC設計,雖然如今已經退休兩倍大的麻省理工學院裡還實驗和類似於其他幾個研究核聚變反應堆目前在操作,將會更加強大,實現融合性能堪比預期更大的ITER反應堆建在法國的國際財團。這種小體積的高功率之所以成為可能，是因為超導磁體的發展使得更強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——超導磁體的開發——一直在快速推進，超導磁體可以建造更小的聚變系統。這組新的論文首次在同行評議的出版物中詳細介紹了SPARC機器的底層物理基礎。這七篇論文探討了需要進一步細化的具體物理領域，還需要繼續進行研究，以確定機器設計的最終要素、操作程序和測試，這些工作將涉及到發電廠的進展。

論文還描述了在設計SPARC時使用的計算和仿真工具，這些工具已經在世界各地的許多實驗中進行了測試。作者使用了先進的模擬，運行在強大的超級計算機上，這些計算機已經被開發來幫助ITER的設計。大型多機構的研究團隊代表在新的文件集，旨在帶來最好的共識工具到SPARC機器設計，以增加信心，它將實現其使命。

到目前為止所做的分析表明，SPARC反應堆的計劃核聚變能量輸出應該能夠滿足設計規範，並有一個舒適的餘量。它的設計目標是使Q因子(表示聚變等離子體效率的關鍵參數)至少達到2，這本質上意味著產生的聚變能量是用於產生反應的能量的兩倍。這將是任何一種聚變等離子體產生的能量首次超過其消耗的能量。

在這一點上的計算表明，SPARC實際上可以實現Q比為10或更多，根據新的論文。儘管格林沃爾德警告說，團隊要小心，不要過度承諾，還有很多工作要做，但迄今為止的結果表明，該項目至少將實現其目標，特別是將實現其關鍵目標，即產生燃燒的等離子體，其中自熱控制著能量平衡。

他說，COVID-19大流行所施加的限制稍微減緩了進展，但不會太大，研究人員已經按照新的操作指南回到了實驗室。

總的來說，「我們的目標仍然是在21年6月左右開始建設，」格林沃爾德說。「物理方面的努力與工程設計很好地結合在一起。我們試圖做的是把這個項目建立在最堅實的物理基礎上，這樣我們對它的表現很有信心，然後在工程設計過程中提供指導和回答問題。」

的許多細節仍在工作的機械設計,覆蓋能源和燃料的最佳方式進入設備,獲得電力供應,處理任何突然熱或功率瞬變,如何以及在哪裡測量關鍵參數來監測機器的操作。

到目前為止，對整體設計只有微小的改變。格林沃爾德說，反應堆的直徑增加了大約12%，但其他方面幾乎沒有改變。「總有這個多一點，那個少一點的問題，有很多東西要考慮，工程問題，機械應力，熱應力，還有物理，你如何影響機器的性能?」

他說，該雜誌特刊的出版「代表了當今物理基礎的一個總結和快照。」儘管團隊成員已經在物理會議上討論了它的許多方面，「這是我們第一次有機會講述我們的故事，讓它得到評審，得到批准，並將其發布到社區中。」

格林沃爾德說,仍有很多值得了解的物理燃燒等離子體,一旦這臺機器已經啟動並運行,關鍵信息可以獲得商業將幫助鋪平道路,產生聚變裝置的推動氫的同位素氘和tritium-can可用在幾乎無限的供應。

燃燒等離子體的細節「非常新穎和重要，」他說。「我們必須克服的大山就是了解等離子體的這種自熱狀態。」

總的來說，格林沃爾德說，在這一系列文件中進行的分析工作「有助於證實我們將完成任務的信心。」我們從來沒有遇到過這樣的情況:『哦，這預示著我們將無法實現我們的目標。』」簡而言之，他說，「其中一個結論是，事情看起來仍在正軌上。」我們相信它會成功的。」

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