作者:麻省理工学院莎拉·麦克唐纳 SPARC的渲染，一个紧凑的，高场的，燃烧DT的托卡马克，目前正由麻省理工学院和联邦聚变系统的团队设计
它的任务是创造和限制产生净聚变能的等离子体
学分:加州理工学院/麻省理工学院-PSFC -计算机辅助设计渲染
亨德森 两年半前，麻省理工学院与初创公司联邦聚变系统公司达成了一项研究协议，开发名为“SPARC”的下一代聚变研究实验，作为一个实用、零排放电厂的先驱
现在，经过几个月的密集研究和工程工作，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，总结了他们取得的进展，并概述了SPARC将提出的关键研究问题
麻省理工学院等离子体科学与聚变中心副主任、该项目的首席科学家之一马丁·格林沃尔德说，总的来说，这项工作进展顺利，步入正轨
他说，这一系列论文为SPARC的等离子体物理和性能预测提供了高度的信心
没有意想不到的障碍或惊喜出现，剩下的挑战似乎是可控的
根据格林沃尔德的说法，这为该设备一旦建成后的运行奠定了坚实的基础
格林沃尔德为一组由来自12个机构的47名研究人员撰写的七篇研究论文撰写了引言，这些论文今天发表在《等离子体物理学杂志》的一期特刊上
论文概述了新聚变系统的理论和经验物理基础，该联盟预计明年开始建造
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——即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，而不需要任何进一步的能量输入
研究这种燃烧的等离子体的行为——这是地球上前所未有的可控方式——被视为开发下一步的关键信息，即开发一个实用的发电电厂的工作原型
这种聚变发电厂可能会显著减少发电部门的温室气体排放，而发电部门是全球温室气体排放的主要来源之一
麻省理工学院和加州理工学院的项目是聚变领域有史以来最大的私人资助的研发项目之一
SPARC的设计虽然大约是麻省理工学院现已退役的阿尔卡特C-Mod实验的两倍大，并且与目前正在运行的其他几个研究聚变反应堆相似，但威力要大得多，实现的聚变性能与一个国际财团在法国建造的更大的ITER反应堆的预期性能相当
超导磁体的进步使得小尺寸的高功率成为可能，超导磁体允许更强的磁场来限制热等离子体
SPARC项目于2018年初启动，其第一阶段的工作进展迅速，即开发超导磁体，以便建造更小的聚变系统
这组新论文首次在同行评议的出版物中详细概述了SPARC机器的基本物理基础
这七篇论文探讨了物理学中需要进一步完善的特定领域，这些领域仍然需要持续的研究，以确定机器设计的最终要素以及随着电厂工作的进展将涉及的操作程序和测试
论文还描述了SPARC设计中计算和模拟工具的使用，这些工具已经在世界各地的许多实验中进行了测试
作者使用了先进的模拟技术，运行在强大的超级计算机上，这些计算机是为了帮助ITER的设计而开发的
这组新论文所代表的大型多机构研究团队旨在为SPARC设计机器带来最佳共识工具，以增强其实现使命的信心
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该能够满足设计规范，并有足够的余量
它的设计是为了使Q因子——一个表示聚变等离子体效率的关键参数——至少达到2，这意味着产生的聚变能量是产生反应所需能量的两倍
这将是第一次任何种类的聚变等离子体产生的能量超过消耗的能量
根据新的论文，在这一点上的计算表明SPARC实际上可以达到10或更高的Q值
虽然格林沃尔德警告说，该团队希望小心不要过度生产，还有许多工作要做，但迄今为止的结果表明，该项目至少将实现其目标，特别是将实现其生产燃烧等离子体的关键目标，其中自热主导着能量平衡
他说，新冠肺炎大流行带来的限制稍微减缓了进展，但并不多，研究人员根据新的操作指南回到了实验室
格林沃尔德说，总的来说，“我们的目标仍然是在大约21年6月开始建设。”
“物理工作与工程设计紧密结合
我们试图做的是把这个项目放在最坚实的物理基础上，这样我们就对它的表现有信心，然后在它进行的过程中为工程设计提供指导和回答问题
" 机器设计中的许多细节仍在研究中，包括向设备输入能量和燃料的最佳方式、断电、处理任何突然的热或功率瞬变，以及如何和在哪里测量关键参数以监控机器的运行
到目前为止，整体设计只有很小的变化
格林沃尔德说，反应堆的直径增加了约12%，但其他方面没有什么变化
“总会有这样或那样多一点的问题，有很多东西会影响到这一点，工程问题、机械应力、热应力，还有物理问题——你如何影响机器的性能？” 他说，这期杂志特刊的出版“代表了一个摘要，一个今天物理学基础的快照
“虽然团队成员在物理会议上讨论了它的许多方面，”这是我们第一次有机会讲述我们的故事，让它得到审查，获得批准，并把它放入社区
" 格林瓦尔德说，关于燃烧等离子体的物理学还有很多东西要学，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、发电聚变设备铺平道路，这些设备的燃料——氢同位素氘和氚——可以无限供应
他说，燃烧的等离子体的细节“非常新颖和重要”
“我们必须越过的大山是为了理解等离子体的这种自热状态
" 格林沃尔德说，总的来说，这一系列论文中的分析工作“有助于验证我们完成使命的信心”
我们还没有遇到任何我们说‘哦，这是在预测我们不会到达我们想要的地方’
“简而言之，他说，”其中一个结论是事情看起来仍在正轨上
我们相信会成功的
"
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