长期以来，科学家一直在寻求利用聚变作为一种取之不尽，用之不竭的无碳能源。在过去的几年中，突破性的高温超导体技术(HTS)激发了实现实用聚变能的新视野。这种方法被称为融合的高场途径，旨在以比其他方法更短的时间尺度和更低的成本在紧凑型设备中产生融合。
然而，实现这一愿景的一个关键技术挑战是让HTS超导体以综合方式开发新型高性能超导磁体，这将使磁场高于前几代磁体，并且是限制和控制等离子体反应的核心。
现在，由麻省理工学院的等离子科学与融合中心(PSFC)和麻省分公司的联邦融合系统(CFS)领导的团队已经开发并广泛测试了HTS电缆技术，该技术可按比例缩放并设计成高性能磁体。该小组的研究成果于10月7日发表在《超导体科学与技术》上。研究人员包括麻省理工学院的助理教授和首席研究员扎卡里·哈特维格。PSFC副工程主管Rui F. Vieira和PSFC的其他关键技术和工程人员; CFS首席科学官布兰登·索邦(Brandon Sorbom)博士和其他CFS工程师;瑞士日内瓦CERN的研究人员和科学家，以及新西兰惠灵顿维多利亚大学鲁滨逊研究所的科学家。
这项发展是在最近推动高磁场途径发展的，当时来自12个机构的47名研究人员在《等离子体物理学杂志》上发表7篇论文，表明用这种磁铁建造的高场聚变装置将产生净能量——比消耗的能量多——这是以前从未证明过的。
核科学与工程学助理教授，PSFC研究团队负责人哈特维格说：“当我们努力加快实现聚变能的时间表时，用于SPARC的电缆技术是一个重要的难题。” “如果我们在所做的事情和其他技术上取得成功，那么聚变能将在缓解气候变化方面发挥作用——不是在100年内，而是在10年内。”
超级电缆
本文中描述的创新技术是一种超导电缆，导电不产生电阻或发热，在极端的机械、电气和热条件下不会降解。品牌 VIPER(一个首字母缩略词，代表真空压力浸渍、绝缘、部分转置、挤出和卷形)，由商业生产的薄钢带组成，这些钢带包装有HTS化合物(钇钡钡铜氧化物)组装成铜和钢组件以形成电缆。低温冷却剂(例如超临界氦气)可以很容易地流经电缆以除去热量，即使在严酷的条件下也可以使电缆保持低温。
索邦(Sorbom)说：“我们的一项进步是想出一种在电缆内焊接HTS胶带的方法，有效地使它成为整体结构，将所有物体都热连接在一起。” 他还补充说，VIPER还可以通过使用关节来创建“几乎任何类型的几何图形”来进行曲折。 这使得电缆成为理想的建筑材料，用于缠绕成能够产生并包含巨大强度磁场的线圈，例如制造融合设备所需的磁场远小于目前设想的净能融合设备所需的磁场。
韧性强
哈特维格说：“我们可以用VIPER电缆做的关键是，使磁场强度达到所需大小，是当今超导磁体技术的2到3倍。”托卡马克中的磁场强度在确定等离子体性能方面起着很强的非线性作用。例如，聚变功率密度随磁场缩放为四分之一功率：加倍磁场可使聚变功率增加16倍，或者相反，在体积小16倍的设备中可以实现相同的聚变输出功率。
"在用于聚变的高场磁体开发中，HTS电缆是一种基本成分，它们一直缺失，"劳伦斯伯克利国家实验室美国磁体开发项目主任索伦·普雷斯特蒙(Soren Prestemon)说，他未参与这项研究。"VIPER 是电缆架构领域的一个突破，可以说是第一个被证明可行于融合的候技术，并将推动在核聚变反应堆中进行演示的关键一步。
哈特维格说，VIPER技术还为解决超导磁体中的一个特殊问题提供了一种有力的方法，即淬火，“自从他们开始制造超导磁体以来，这吓坏了工程师。”急冷是当冷电缆不再没有任何电阻就无法传导电流时发生的急剧温度上升。当发生失超时，电流不会在超导状态下产生几乎为零的热量，而是会在电缆中产生大量的电阻加热。
“如果不切断电流，温度的迅速升高可能导致磁铁潜在的损坏或毁坏自身，” 哈特维格说，“我们想避免这种情况，或者，如果不是这样，至少要尽快并且肯定地了解它。”
该小组采用了CERN和鲁滨逊研究所的合作者开发的两种类型的温度传感光纤技术。光纤首次在全尺寸HTS电缆上以及在高磁场聚变磁体的典型条件下展示，对电缆沿线的温度变化进行了灵敏且高速的检测，以监测淬火的发生。
另一个关键结果是成功地将VIPER电缆之间易于制造、低电阻和机械坚固的接头结合在一起。与磁铁的其他部分相比，超导接头通常很复杂，制造困难并且容易失效。 VIPER旨在消除这些问题。VIPER接头具有可拆卸的额外优势，这意味着它们可以拆开并重新使用，而不会影响性能。
普雷斯特蒙(Prestemon)指出，电缆的创新架构直接影响着未来运行聚变反应堆的现实世界挑战。“在一个实际的商业化聚变能生产设施中，反应堆深处的强烈热量和辐射将需要常规的组件更换。” 他说，“能够将这些接头拆开并放回原处，是使融合成为具有成本效益的主张的重要一步。”
哈特维格团队构建的12条VIPER电缆(长度在1至12米之间)通过弯曲测试，数千个突然的“开-关”机械循环，多个低温热循环以及数十个类似淬火的事件进行了评估，以模拟一种在聚变设备的磁体中遇到的恶劣条件。该小组在四个月内在SULTAN工厂成功完成了四个为期一周的测试活动，SULTAN工厂是瑞士等离子中心领导的超导电缆评估的较高中心，该中心隶属于瑞士洛桑联邦理工学院。
“在SULTAN，HTS电缆测试的空前速度表明，一支优秀的团队可以以更快的速度，冒险的意愿和执行的资源来推动技术的发展。”这是SPARC项目的基础。
SPARC团队将继续改进VIPER电缆，并朝着2021年中期的下一个项目里程碑迈进：“我们将制造一个多吨模型的线圈，其尺寸将与SPARC的全尺寸磁体相似， ” 索邦(Sorbom)说。这些研究活动将继续推动SPARC的基础磁体技术的发展，并能证明聚变产生的净能量，这是表明聚变信号是一项可行的能源技术的关键成就。哈特维格说：“这将是聚变能的分水岭。”
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