麻省理工學(xué)院的一次課堂練習(xí)在行業(yè)研究人員的幫助下，為實(shí)際聚變發(fā)電廠的發(fā)展所面臨的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)之一帶來了創(chuàng)新的解決方案：如何擺脫可能對(duì)工廠造成結(jié)構(gòu)性損害的多余熱量。

通過使用高溫超導(dǎo)磁體的緊湊型聚變反應(yīng)堆的創(chuàng)新方法，新解決方案成為可能。這種方法為今年在麻省理工學(xué)院推出的大規(guī)模新研究項(xiàng)目奠定了基礎(chǔ)，并成立了一家獨(dú)立的創(chuàng)業(yè)公司來開發(fā)這一概念。與典型的聚變?cè)O(shè)備不同，新設(shè)計(jì)可以打開設(shè)備的內(nèi)部腔室并更換關(guān)鍵部件; 這種能力對(duì)于新提出的排熱機(jī)制至關(guān)重要。

融合工程與設(shè)計(jì)雜志的一篇論文詳細(xì)介紹了這一新方法，由該班的研究生Adam Kuang和其他14名麻省理工學(xué)院學(xué)生，三菱電機(jī)研究實(shí)驗(yàn)室和英聯(lián)邦融合系統(tǒng)工程師以及Dennis Whyte教授撰寫。麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與融合中心主任，他教授了這門課程。

從本質(zhì)上講，懷特解釋說，融合設(shè)備內(nèi)部的熱量散發(fā)可以與汽車的排氣系統(tǒng)進(jìn)行比較。在新設(shè)計(jì)中，“排氣管”比現(xiàn)今任何融合設(shè)計(jì)中的更長(zhǎng)和更寬，使其在排出不需要的熱量方面更加有效。但是，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的工程需要進(jìn)行大量復(fù)雜的分析，并需要對(duì)許多可能的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估。

馴化融合血漿

融合利用太陽本身的反應(yīng)，承諾最終使用來自海水的燃料 - 氘，重氫和鋰 - 產(chǎn)生清潔，充足的電力 - 因此燃料供應(yīng)基本上是無限的。但是，幾十年來對(duì)這些發(fā)電廠的研究仍然沒有產(chǎn)生能夠產(chǎn)生所消耗功率的設(shè)備，更不用說實(shí)際產(chǎn)生凈能量輸出的設(shè)備了。

然而，今年早些時(shí)候，麻省理工學(xué)院提出的一種新型聚變工廠的建議 - 以及其他人正在探索的其他幾種創(chuàng)新設(shè)計(jì) - 最終使得實(shí)用聚變能力的目標(biāo)似乎觸手可及。但是仍有一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)需要解決，包括一種有效的方法，即將超熱的帶電材料(稱為等離子體)內(nèi)部熱量從設(shè)備內(nèi)部封閉。

在聚變反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的大部分能量以中子的形式發(fā)射，中子加熱熔化等離子體周圍的材料，稱為覆蓋層。在發(fā)電廠中，加熱的毯子又將用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電渦輪機(jī)。但是大約20%的能量是以等離子體本身的熱量形式產(chǎn)生的，不知何故必須將其消散以防止其熔化形成腔室的材料。

沒有足夠強(qiáng)的材料能夠承受融合裝置內(nèi)等離子體的熱量，融合裝置達(dá)到數(shù)百萬度的溫度，因此等離子體通過強(qiáng)力磁鐵固定到位，防止等離子體直接接觸到內(nèi)壁。圓環(huán)形融合室。在典型的熔接設(shè)計(jì)中，使用一組單獨(dú)的磁體來形成一種側(cè)室以排出多余的熱量，但是這些所謂的偏濾器不足以在新的緊湊型設(shè)備中產(chǎn)生高熱量。

ARC設(shè)計(jì)的一個(gè)理想特征是它將在比相同輸出的傳統(tǒng)反應(yīng)器所需的裝置小得多的裝置中產(chǎn)生功率。但這意味著更多的功率被限制在更小的空間中，因此更多的熱量可以擺脫。

“如果我們沒有對(duì)排熱做任何事情，那么機(jī)制就會(huì)撕裂它自己，”該論文的第一作者Kuang說道，他描述了團(tuán)隊(duì)所面臨的挑戰(zhàn) - 并最終解決了。

內(nèi)部工作

在傳統(tǒng)的聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中，產(chǎn)生偏濾器的次級(jí)磁性線圈位于初級(jí)繞組之外，因?yàn)楦緹o法將這些線圈放在實(shí)心初級(jí)線圈內(nèi)。這意味著次級(jí)線圈需要大而強(qiáng)大，以使其場(chǎng)穿透腔室，因此它們?cè)诳刂频入x子體形狀方面不是非常精確。

但是新的MIT設(shè)計(jì)，即ARC(用于先進(jìn)，堅(jiān)固和緊湊)，采用內(nèi)置部分的磁鐵，因此可以將其移除以進(jìn)行維修。這使得可以進(jìn)入整個(gè)內(nèi)部并將次級(jí)磁體放置在主線圈內(nèi)而不是外部。通過這種新的安排，“只需將它們移近[等離子體]，就可以大大減小它們的尺寸，”Kuang說。

在為期一學(xué)期的研究生班22.63(融合工程原理)中，學(xué)生們被分成小組來解決排熱挑戰(zhàn)的不同方面。每個(gè)團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行徹底的文獻(xiàn)檢索，看看已經(jīng)嘗試了哪些概念，然后他們集思廣益，提出了多個(gè)概念，并逐漸淘汰那些沒有成功的概念。對(duì)那些有希望的人進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算和模擬，部分基于數(shù)十年研究融合設(shè)備的研究數(shù)據(jù)，如麻省理工學(xué)院的Alcator C-Mod，該研究已于兩年前退役。C-Mod科學(xué)家Brian LaBombard也分享了有關(guān)新型偏濾器的見解，三菱的兩名工程師也與該團(tuán)隊(duì)合作。課程結(jié)束后，有幾個(gè)學(xué)生繼續(xù)研究這個(gè)項(xiàng)目，最終導(dǎo)致這篇新論文中描述的解決方案。模擬結(jié)果證明了他們所確定的新設(shè)計(jì)的有效性。

“這真是令人興奮，我們發(fā)現(xiàn)了什么，”懷特說。結(jié)果是轉(zhuǎn)向器越來越長(zhǎng)，并且可以更精確地控制等離子體。因此，他們可以處理預(yù)期的強(qiáng)熱負(fù)荷。

“你想讓'排氣管'盡可能大，”懷特說，并解釋說，二級(jí)磁鐵在主要磁鐵內(nèi)的位置使這成為可能。“這對(duì)電廠設(shè)計(jì)來說確實(shí)是一場(chǎng)革命，”他說。他說，不僅ARC設(shè)計(jì)磁鐵中使用的高溫超導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊，高功率的發(fā)電廠，“但它們也提供了許多選擇”，以不同的方式優(yōu)化設(shè)計(jì) - 包括轉(zhuǎn)彎這個(gè)新的偏濾器設(shè)計(jì)。

展望未來，既然基本概念已經(jīng)開發(fā)出來，那么進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化還有很大的空間，包括這些二次磁鐵的確切形狀和位置，該團(tuán)隊(duì)表示。研究人員正致力于進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

“這為考慮融合裝置中的偏濾器和熱管理開辟了新的道路，”懷特說。