解决长期融合挑战的新途径

麻省理工学院的一次课堂练习在行业研究人员的帮助下，为实际聚变发电厂的发展所面临的长期挑战之一带来了创新的解决方案：如何摆脱可能对工厂造成结构性损害的多余热量。

通过使用高温超导磁体的紧凑型聚变反应堆的创新方法，新解决方案成为可能。这种方法为今年在麻省理工学院推出的大规模新研究项目奠定了基础，并成立了一家独立的创业公司来开发这一概念。与典型的聚变设备不同，新设计可以打开设备的内部腔室并更换关键部件; 这种能力对于新提出的排热机制至关重要。

融合工程与设计杂志的一篇论文详细介绍了这一新方法，由该班的研究生Adam Kuang和其他14名麻省理工学院学生，三菱电机研究实验室和英联邦融合系统工程师以及Dennis Whyte教授撰写。麻省理工学院等离子体科学与融合中心主任，他教授了这门课程。

从本质上讲，怀特解释说，融合设备内部的热量散发可以与汽车的排气系统进行比较。在新设计中，“排气管”比现今任何融合设计中的更长和更宽，使其在排出不需要的热量方面更加有效。但是，实现这一目标所需的工程需要进行大量复杂的分析，并需要对许多可能的设计方案进行评估。

驯化融合血浆

融合利用太阳本身的反应，承诺最终使用来自海水的燃料 - 氘，重氢和锂 - 产生清洁，充足的电力 - 因此燃料供应基本上是无限的。但是，几十年来对这些发电厂的研究仍然没有产生能够产生所消耗功率的设备，更不用说实际产生净能量输出的设备了。

然而，今年早些时候，麻省理工学院提出的一种新型聚变工厂的建议 - 以及其他人正在探索的其他几种创新设计 - 最终使得实用聚变能力的目标似乎触手可及。但是仍有一些设计挑战需要解决，包括一种有效的方法，即将超热的带电材料(称为等离子体)内部热量从设备内部封闭。

在聚变反应堆内产生的大部分能量以中子的形式发射，中子加热熔化等离子体周围的材料，称为覆盖层。在发电厂中，加热的毯子又将用于驱动发电涡轮机。但是大约20%的能量是以等离子体本身的热量形式产生的，不知何故必须将其消散以防止其熔化形成腔室的材料。

没有足够强的材料能够承受融合装置内等离子体的热量，融合装置达到数百万度的温度，因此等离子体通过强力磁铁固定到位，防止等离子体直接接触到内壁。圆环形融合室。在典型的熔接设计中，使用一组单独的磁体来形成一种侧室以排出多余的热量，但是这些所谓的偏滤器不足以在新的紧凑型设备中产生高热量。

ARC设计的一个理想特征是它将在比相同输出的传统反应器所需的装置小得多的装置中产生功率。但这意味着更多的功率被限制在更小的空间中，因此更多的热量可以摆脱。

“如果我们没有对排热做任何事情，那么机制就会撕裂它自己，”该论文的第一作者Kuang说道，他描述了团队所面临的挑战 - 并最终解决了。

内部工作

在传统的聚变反应堆设计中，产生偏滤器的次级磁性线圈位于初级绕组之外，因为根本无法将这些线圈放在实心初级线圈内。这意味着次级线圈需要大而强大，以使其场穿透腔室，因此它们在控制等离子体形状方面不是非常精确。

但是新的MIT设计，即ARC(用于先进，坚固和紧凑)，采用内置部分的磁铁，因此可以将其移除以进行维修。这使得可以进入整个内部并将次级磁体放置在主线圈内而不是外部。通过这种新的安排，“只需将它们移近[等离子体]，就可以大大减小它们的尺寸，”Kuang说。

在为期一学期的研究生班22.63(融合工程原理)中，学生们被分成小组来解决排热挑战的不同方面。每个团队首先进行彻底的文献检索，看看已经尝试了哪些概念，然后他们集思广益，提出了多个概念，并逐渐淘汰那些没有成功的概念。对那些有希望的人进行了详细的计算和模拟，部分基于数十年研究融合设备的研究数据，如麻省理工学院的Alcator C-Mod，该研究已于两年前退役。C-Mod科学家Brian LaBombard也分享了有关新型偏滤器的见解，三菱的两名工程师也与该团队合作。课程结束后，有几个学生继续研究这个项目，最终导致这篇新论文中描述的解决方案。模拟结果证明了他们所确定的新设计的有效性。

“这真是令人兴奋，我们发现了什么，”怀特说。结果是转向器越来越长，并且可以更精确地控制等离子体。因此，他们可以处理预期的强热负荷。

“你想让'排气管'尽可能大，”怀特说，并解释说，二级磁铁在主要磁铁内的位置使这成为可能。“这对电厂设计来说确实是一场革命，”他说。他说，不仅ARC设计磁铁中使用的高温超导体能够实现紧凑，高功率的发电厂，“但它们也提供了许多选择”，以不同的方式优化设计 - 包括转弯这个新的偏滤器设计。

展望未来，既然基本概念已经开发出来，那么进一步开发和优化还有很大的空间，包括这些二次磁铁的确切形状和位置，该团队表示。研究人员正致力于进一步开发设计细节。

“这为考虑融合装置中的偏滤器和热管理开辟了新的道路，”怀特说。