核聚变的未来

世界需要丰富、清洁的能源。核聚变-没有CO₂排放，没有熔毁的风险，没有长寿命的放射性废物——是显而易见的解决方案，几十年来一直如此，但实现起来非常困难。可控核聚变是理想的长期能源，与可再生能源互补。但为什么事实证明它如此困难?

挑战在于，聚变只发生在恒星中，在那里，巨大的引力产生了巨大的压力和温度，通常斥力粒子会发生碰撞和聚变。在地球上，我们需要创造类似的条件，将带电的热等离子体保持在足够高的压力下，时间足够长，以便发生聚变反应。这是可以理解的棘手问题，这个问题已经困扰了世界上一些最聪明的头脑半个多世纪。人们正在寻求不同的方法来获取聚变能量，从缺乏证据且可能永远不会起作用的冷聚变，到可能起作用的惯性聚变，再到确实起作用的磁聚变。

最近的两篇论文麻省理工学院从一群人杜伦大学和身为Culham在英国，科学家们通过将焦点放在高温超导体(HTS)的使用上，为磁聚变方法增加了份量。两家公司都专注于同一种新材料——REBCO第二代高温超导带——并且，结合在一起，增加了高场高温超导磁体工程是可行的信心，从而产生更紧凑和商业上可行的托卡马克聚变动力装置。

这些论文加强了托卡马克能源公司所采取的方法，该公司最近展示了一款小型托卡马克，其所有磁铁都由REBCO HTS制成，由于其进步和大胆的计划，该公司被公认为世界经济论坛的技术先驱。

磁聚变利用强磁场对热等离子体燃料加压和捕获。有许多磁铁的配置来实现这一点，但最好的性能是环形托卡马克装置，最简单的形状，没有开放的磁场线。1997年，Culham实验室的JET托卡马克以24MW的输入功率实现了16MW的聚变功率。

然而，由于后续设备ITER的规模太大，导致多次延迟，该项目的进展一直在放缓。近年来，人们的努力集中在一种更小的核聚变方法上。这个被研究最多、性能最好的设备能缩小规模吗?

托卡马克有两种选择，一种是传统的甜甜圈形状，如JET，另一种是苹果形状的球形托卡马克，Dan Clery最近在《科学》杂志上称其为“新一代”。球形托卡马克有两大优点:作为托卡马克的压缩版，它本身就很紧凑。此外，它能更有效地利用磁场。

它的局限性一直是棘手的工程，由于缺乏空间的中心磁铁和相关的温度控制和保护元件。但是高温超导材料的快速发展正在克服这一问题。由于它们能够在远高于绝对零度的温度和强磁场中传导零电阻的高电流，现在可以制造出异常强磁场磁铁，使冷却和保护问题的解决方案更加简单。

今年早些时候，托卡马克能源公司的科学家在《核聚变》杂志上发表了两篇开创性的论文。其中一个首次表明，用高功率增益制造低功率托卡马克是可行的。第二个用高温超导材料解决了紧凑型球形托卡马克最艰巨的工程挑战之一——中心屏蔽。

因此，我们现在正在通过在更紧凑的设备中增加磁场，而不是建造更大的托卡马克设备，这需要巨大的成本和漫长的时间跨度。这使得对核聚变能源的追求从一个大的登月计划变成了一系列的工程挑战。

目前，HTS技术已经允许托卡马克能源公司建造和演示一个所有磁铁都由HTS制成的托卡马克，实现了第一个挑战并感动了我们

接下来:设计一个小型托卡马克以达到聚变温度。当我们成功应对一个挑战时，我们可以增加投资来应对下一个挑战。托卡马克能源公司正在努力尽快解决棘手的工程挑战，而HTS材料公司正在帮助我们做到这一点。

世界各地的核聚变能源项目和初创企业都在以不同的方式追求核聚变。这种对核聚变的共同努力是减少温室气体排放和确保未来长期安全、清洁能源供应的最佳方式。

大卫·金汉姆博士是托卡马克能源公司的首席执行官