作者:莱达·齐默曼，麻省理工学院 为第三次SULTAN电缆测试设计的组件的特点是两根3米长的VIPER HTS电缆并联，并通过底部的铜接头连接；低温氦和电流从顶部注入
一旦安装在SULTAN
外部上部结构提供结构支撑，以应对测试期间电缆内产生的巨大横向机电体载荷
这种设计的一个独特之处在于材料和中间平面的梯形延伸，它能够在测试过程中对电缆进行轴向应变，从而更好地模拟VIPER电缆在高磁场磁体中的情况
荣誉:何塞·埃斯特拉达/PSFC 科学家们长期以来一直寻求将核聚变作为一种取之不尽、用之不竭的无碳能源
在过去的几年里，突破性的高温超导体技术引发了实现实用聚变能源的新愿景
这种方法被称为高场融合途径，旨在以比替代方法更短的时间和更低的成本在紧凑的设备中产生融合
然而，实现这一愿景的一个关键技术挑战是让高温超导体在开发新的高性能超导磁体时以集成方式工作，这将使磁场高于前几代磁体，并对限制和控制等离子体反应至关重要
现在，一个由麻省理工学院等离子体科学与聚变中心(PSFC)和麻省理工学院分拆公司联邦聚变系统(CFS)领导的团队已经开发并广泛测试了一种高温超导电缆技术，这种技术可以扩展并设计成高性能磁体
该团队的研究发表于10月10日
超导体科学与技术7
研究人员包括麻省理工学院助理教授兼首席研究员扎卡里·哈特威格；PSFC工程副主任芮福来
维埃拉和其他重要的PSFC技术和工程人员；首席科学官布兰登·索邦博士
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17名及其他CFS工程师；瑞士日内瓦欧洲粒子物理研究所和新西兰惠灵顿维多利亚大学罗宾逊研究所的科学家们
这一进展是在最近高场路径的推动下取得的，当时来自12个机构的47名研究人员在《等离子体物理杂志》上发表了7篇论文，表明用这种磁体建造的名为SPARC的高场聚变装置将产生净能量——比它消耗的能量还要多——这是以前从未证明过的
“SPARC的电缆技术是一个重要的难题，因为我们正在努力加快实现聚变能的时间表，”核科学与工程助理教授、PSFC研究小组组长哈特威格说
“如果我们在我们正在做的事情和其他技术上取得成功，聚变能源将开始在减缓气候变化方面发挥作用——不是100年，而是10年
" 超级电缆 论文中描述的创新技术是一种超导电缆，它不产生电阻或热量，并且在极端的机械、电气和热条件下不会退化
品牌蝰蛇(一个同义词，代表真空压力浸渍、绝缘、部分换位、挤压和滚压成型)，它由商业生产的涂有高温超导化合物(钇钡铜氧化物)的薄钢带组成，这些钢带被包装成铜和钢组件的组件，以形成电缆
低温冷却剂，如超临界氦，可以很容易地流过电缆，以消除热量，并保持电缆冷，即使在具有挑战性的条件下
“我们的进步之一是找到了一种将高温超导带焊接到电缆内部的方法，有效地使它成为一个整体结构，所有的东西都是热连接的，”索邦说
然而，蝰蛇也可以被塑造成曲折，使用关节创造“几乎任何类型的几何”，他补充说
这使得该电缆成为缠绕成线圈的理想建筑材料，该线圈能够产生并包含巨大强度的磁场，例如制造比目前设想的净能量聚变装置小得多的聚变装置所需的磁场
左:有线电视团队成员(左)扎克·哈特威格、菲尔·迈克尔、文尼·弗莱和布兰登·索邦站在瑞士维拉根的苏丹测试设施前
顶部中心:在将电缆安装到SULTAN期间，测试井的视图
右:一个电缆组件包含两条用于苏丹测试的3米蝰蛇高温超导电缆，封装在上部结构中，用于机械支撑
信用:扎克哈特威格 富有弹性和鲁棒性 哈特威格说:“我们能用VIPER电缆做的关键事情是，在所需的尺寸下，使磁场比目前这一代超导磁体技术强两到三倍。”
托卡马克中磁场的大小在决定等离子体性能方面起着很强的非线性作用
例如，聚变功率密度与磁场的四次方成正比:磁场加倍会使聚变功率增加16倍，或者相反，同样的聚变输出功率可以在体积小16倍的装置中实现
“在用于聚变的高场磁体的开发中，高温超导电缆是一个必不可少的组成部分，但它们已经被忽略了，”美国能源部主任索伦·普雷斯托蒙说
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劳伦斯·伯克利国家实验室的磁体开发项目，他没有参与这项研究
“VIPER是电缆架构领域的一项突破，可以说是第一个被证明可用于聚变的候选产品，它将推动聚变反应堆演示的关键一步
" 哈特威格说，蝰蛇技术还为超导磁体领域的一个特殊问题提供了一种强有力的方法，称为失超，“自从工程师们开始制造超导磁体以来，这种方法就让他们感到恐惧。”
失超是指当冷电缆在没有任何电阻的情况下不再传导电流时，温度急剧升高
当失超发生时，电流不是在超导状态下产生几乎为零的热量，而是在电缆中产生相当大的电阻加热
哈特威格说:“如果不切断电流，温度的快速上升会导致磁铁潜在的损坏或自我毁灭。”
“我们希望避免这种情况，或者，如果不是，至少尽可能快地了解它
" 该团队结合了欧洲粒子物理研究所和罗宾逊研究所合作者开发的两种温度传感光纤技术
这种光纤首次在全尺寸高温超导电缆上和高磁场聚变磁体的典型条件下展示了对电缆温度变化的灵敏和高速检测，以监控失超的开始
另一个关键成果是成功地将易于制造、低电阻和机械强度高的接头结合到VIPER电缆中
超导接头通常很复杂，制造起来很困难，而且比磁体的其他部分更容易失效；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卸和重复使用，而不会影响性能
普雷斯特蒙指出，电缆的创新架构直接影响未来聚变反应堆运行的现实挑战
“在一个真正的商业聚变能源生产设施中，反应堆深处的高热和辐射将需要例行的部件更换，”他说
“能够将这些关节拆开并重新组装在一起，是朝着使融合成为一项具有成本效益的提议迈出的重要一步
" 哈特威格团队建造的12条VIPER电缆长度在1至12米之间，经过弯曲测试、数千次突然“开关”机械循环、多次低温热循环和数十次类似淬火的事件评估，以模拟聚变装置磁体中遇到的恶劣条件
该小组在4个月内成功完成了在SULTAN设施的4次多周测试活动，SULTAN设施是由瑞士等离子体中心运营的超导电缆评估的领先中心，附属于瑞士洛桑联邦理工学院
哈特威格说:“苏丹公司的高温超导电缆测试速度之快前所未有，显示了一个优秀的团队能够以极快的速度推进技术，他们有快速前进的心态，愿意承担风险，有执行的资源。”
这种情感是SPARC项目的基础
SPARC团队继续改进VIPER电缆，并在2021年年中进入下一个项目里程碑:“我们将为SPARC建造一个与全尺寸磁铁大小相似的多吨模型线圈，”索邦说
这些研究活动将继续推进SPARC的基础磁体技术，并能够展示来自聚变堆的净能量，这是一项关键成就，表明信号聚变是一项可行的能源技术
哈特威格说:“这将是聚变能的分水岭。”
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