验证由MIT设计的新融合实验背后的物理原理

年半前，麻省理工学院与初创公司Commonwealth Fusion Systems签订了一项研究协议，以开发称为SPARC的下一代融合研究实验，作为实际无排放电厂的前身。

现在，经过几个月的深入研究和工程工作，负责定义和完善雄心勃勃的反应堆设计背后的物理学的研究人员发表了一系列论文，总结了他们所取得的进展并概述了SPARC将实现的关键研究问题。

麻省理工学院等离子体科学与融合中心副主任，该项目的首席科学家之一马丁·格林瓦尔德说，总体而言，这项工作进展顺利且进展顺利。他说，这一系列论文为等离子体物理以及SPARC的性能预测提供了高度的信心。没有出现意料之外的障碍或意外，其余的挑战似乎是可以控制的。据格林瓦尔德说，这为该设备一旦构建便奠定了坚实的基础。

格林沃尔德(格林瓦尔德)为七篇研究论文撰写了引言，该论文由来自12个机构的47名研究人员撰写，今天发表在“等离子体物理学杂志”的特刊中。这些文件共同概述了新聚变系统的理论和经验物理基础，该财团预计将于明年开始建造。

SPARC计划成为有史以来第一个实现“燃烧等离子体”的实验装置，也就是说，该反应是一种自我维持的聚变反应，其中氢元素的不同同位素融合在一起形成氦，而无需任何其他能量输入。研究这种燃烧的等离子体的行为(一种以受控方式在地球上从未见过的现象)被视为开发下一步的关键信息，这是实际的发电厂的工作原型。

这种聚变电厂可能会大大减少发电部门的温室气体排放，而发电部门是全球这些排放的主要来源之一。MIT和CFS项目是有史以来在融合领域开展的最大的私人研究与开发项目之一。

尽管SPARC的设计规模是麻省理工学院现已退役的Alcator C-Mod实验规模的两倍，并且与目前正在运行的其他多个研究聚变反应堆相似，但它的功能要强大得多，其聚变性能可与更大的ITER媲美国际财团正在法国建造反应堆。超导磁体的进步使得小尺寸的高功率成为可能，超导磁体的发展允许更大的磁场限制热等离子体。

SPARC项目于2018年初启动，其第一阶段的工作即超导磁体的开发正在迅速进行，该超导磁体将允许构建较小的聚变系统。新的论文集是第一次在同行评审的出版物中详细概述了SPARC机器的基础物理学基础。这七篇论文探讨了必须进一步完善的物理学的特定领域，并且仍然需要进行持续的研究以确定机器设计的最终要素以及随着发电厂工作而涉及的操作程序和测试。 。

论文还描述了计算和仿真工具在SPARC设计中的使用，这些工​​具已针对世界各地的许多实验进行了测试。作者使用了在强大的超级计算机上运行的尖端仿真，这些仿真是为辅助ITER设计而开发的。新论文集中了由多个机构组成的庞大研究团队，旨在为SPARC机器设计带来最佳的共识工具，以增强其实现其使命的信心。

到目前为止所做的分析表明，SPARC反应堆的计划聚变能输出应能够满足设计规范，并留有适度的余量。它的设计目的是使Q因子(表示聚变等离子体效率的关键参数)至少达到2，本质上意味着产生的聚变能量是泵入产生反应的能量的两倍。那将是任何形式的聚变等离子体产生的能量多于其消耗的能量的第一次。

根据新论文，此时的计算表明，SPARC实际上可以实现10或更高的Q比。尽管格林瓦尔德(Greenwald)警告说，该团队希望保持谨慎，不要过分承诺，但仍有大量工作要做，但到目前为止的结果表明，该项目至少将实现其目标，特别是将达到其产生燃烧血浆的关键目标，其中自我-加热控制能量平衡。

他说，由COVID-19大流行引起的限制使进展缓慢了一点，但幅度并不大，研究人员根据新的操作指南又回到了实验室。

总体而言，格林瓦尔德说：“总体而言，我们仍计划在21年6月左右开始建设。” “物理工作与工程设计很好地结合在一起。我们试图做的是将项目置于尽可能牢固的物理基础上，以便我们对它的执行方式充满信心，然后提供指导和指导。在进行工程设计时回答问题。”

机器设计中的许多细节仍在制定中，涵盖了向设备中注入能量和燃料，切断电源，处理任何突然的热或电源瞬变以及如何以及在何处测量关键参数的最佳方法为了监视机器的运行。

到目前为止，总体设计只做了很小的改动。格林瓦尔德说，反应堆的直径增加了约12%，但几乎没有其他改变。“总会有更多的问题，少一些的问题，其中涉及很多因素，包括工程问题，机械应力，热应力，还有物理问题，您如何影响产品的性能?机器吗?”

他说，该期特刊的出版，“代表了摘要，是当今物理学基础的快照。” 尽管该团队的成员已经在物理会议上讨论了它的许多方面，但“这是我们第一个机会来讲述我们的故事，对其进行审查，获得认可并向社会发布。”

格林瓦尔德说，关于燃烧等离子体的物理学仍有很多知识，一旦这台机器启动并运行，就可以获得关键信息，这将有助于为商业化，发电的聚变设备铺平道路，聚变设备的燃料是氢。同位素氘和tri几乎可以无限供应。

他说，燃烧等离子体的细节“确实是新颖且重要的”。“我们必须克服的高山是要了解这种等离子体的自热状态。”

格林瓦尔德说，总的来说，本文件包中介绍的分析工作已经“有助于证实我们对实现任务的信心。我们没有遇到任何我们要说的事情，'哦，这预示着我们不会到达我们想要的地方。” 简而言之，他说：“结论之一是，一切仍在按计划进行。我们相信这将会奏效。”

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