麻省理工學院教授：我的3位博士生如何創造了小型可控核聚變

編者按：2021年9月5日，麻省理工學院創造了世界上最強的高溫超導磁鐵的報道，為大眾揭開了一家從事小型託卡馬克核聚變裝置研究的初創企業的面紗。那麼是誰提出了高溫超導用於小型託卡馬克核聚變的想法？又是誰推動了這項計劃？

“沒有一個天才能解決所有的問題。”

<一> 他們想做船載核聚變

2021年年4月，麻省理工學院核技術學院的教授丹尼斯·懷特((Dennis Whyte)的核聚變工程原理課上，這個班級就如何使用聚變技術為船舶製造無碳燃料做了結題報告：

一臺可為船舶發動機製造氨燃料的船載核聚變裝置

船載聚變裝置的概念設計，可為船舶發動機製造氨燃料。

當然，這已經不是這位麻省理工學院等離子體等離子體科學與聚變中心(PSFC)主任第一次聽取這樣的報告了。

<二> 愛提問題的教授

丹尼斯·懷特教授是麻省理工學院等離子科學與聚變中心主任，是聚變研究領域公認的領導者。

核聚變工程原理是麻省理工學院一門一個學期的課程。

2010年左右，當丹尼斯·懷特教授第一次教授核聚變工程原理課程時，他放棄了標準的講座式教學，鼓勵全班集體努力尋找“現實世界”問題的解決方案。

ITER過於龐大

當時，國際熱核聚變工程ITER由於規模太大，造價高昂，面臨巨大的工程障礙。僅僅是這些龐大的17米長的巨型磁鐵已經讓工程舉步維艱。

ITER專案長達17米的大型磁鐵

丹尼斯·懷特剛好學到了第二代高溫超導磁鐵REBCO（一種可以在液氮溫度工作的稀土鋇銅氧超導磁帶），於是教授向他的班級提出了兩個亟待解決的核聚變研究問題：

第二代高溫超導磁鐵REBCO帶材

1，利用第二代高溫超導磁鐵這種顛覆性的產品，這個班能設計出一臺用於研究核聚變穩態執行問題的裝置嗎？

2，新的機器的部件能否實現很容易地取出、更換或改變，使託卡馬克能夠靈活地進行不同的實驗呢？

Vulcan

這個班級努力地解決丹尼斯·懷特教授提出的問題，最後提出了一個名為“Vulcan”的穩態託卡馬克。丹尼斯·懷特驚歎於這個班級的創造性工作--這些足以為核聚變的工程和設計撰寫五篇同行評議的文章。

我看見其中一篇文章發表在2012年的《核聚變工程與設計》上，這篇文章詳細地講述了Vulcan的設計方案。

2012年發表的Vulcan設計論文

<三> 團結的研究生班級

兩年後，愛提問題的丹尼斯·懷特，在新一年的課程上，向班級提出另一個更困難的問題：

能否使用這種第二代高溫超導磁鐵去製造達到ITER一樣500兆瓦功率的小型核聚變裝置？

團結的班級開始了新的努力：他們在各個方向進行分工合作，尋找解決方案。為了幫助這個班級快速認識一些核聚變基本物理問題，丹尼斯·懷特請來了其他系裡的教授共同參與。

於是，這個班級研究的成果誕生了基於高溫超導磁鐵的新核聚變裝置ARC。並且他們發表了一篇經典論文，第一作者是研究生Brandon Sorbom。

Brandon Sorbom博士的論文中設計的ARC

這篇論文標題是：

“一個緊湊、高場強、核聚變科學設施和具有可拆卸磁鐵的示範發電廠”。

這篇長達36頁的論文裡，給出了ARC的詳細設計資料。這篇論文目前被引用200次左右，你可以從其中找到幾乎所有設計這臺核聚變裝置相關的內容。

2015年發表的ARC設計論文

因為ARC是一個較為龐大的專案，無法立即建造，丹尼斯·懷特又提出新的問題：

如何在一個較小的裝置中研究ARC設計中最重要的元素？

他的博士後和學生給出的回答是：SPARC，這是一個大概只有ARC1/3大的試驗型裝置。

SPARC裝置

SPARC的D型磁鐵只有2米高，1米寬--只有ITER的17米長，8米寬的巨型磁鐵的約1/8大。

SPARC裝置的D型磁鐵

<四> 這可不是一個玩笑

基於核聚變工程原理課程的幾年積累，麻省理工學院這個全球久負盛名的頂尖學府，重新定義了核聚變研究的目標和方向：

第一步完成託卡馬克D型超導磁鐵；

第二步完成一個50兆瓦的示範工程堆SPARC，並且能量增益Q>2；

第三步是實現電功率200兆瓦的商業化核聚變反應堆ARC，能量增益Q>10.

為了完成可控核聚變商用化的目標，這幾位有著Vulcan、ARC、SPARC設計經驗的博士生成立了CFS：

麻省理工2013屆博士Mumgaard

麻省理工2013屆博士Dan Brunner

麻省理工2017屆博士Brandon Sorbom

丹尼斯·懷特教授和他的博士生們

CFS的 願景：更快實現無限的清潔能源

CFS的願景：

CFS嚴格執行了既定目標：第一階段是三年時間完成顛覆性的高強磁場的高溫超導磁鐵。

下圖，便是2021年9月5日，麻省理工學院和CFS宣佈創造的世界上最強的託卡馬克D型高溫超導磁體：這個長度大約2米，塊1米的磁鐵，只有ITER的大型磁鐵的1/8大小，但是c。

麻省理工製造全球最高磁場強度的超導磁鐵

最重要的第一步革命性的工作--磁體研發完成了，接下來的SPARC還會遠嗎？

<五> 這門課程引領了麻省理工學院未來10年的研究方向

幾十年來，研究人員一直在探索可控核聚變。這種為太陽提供動力的反應，是地球上無窮無盡的無碳能源的潛在來源。

麻省理工學院此前的23年裡，用一系列的“阿爾卡託”(Alcator)託卡馬克裝置來研究這一過程，並且取得了很多重要的結果。

Alcator內部照片

2016年麻省理工學院結束運營Alcator，開始全力研究由這些研究生在課程裡設計出來的SPARC和ARC。

並且，麻省理工學院意識到，這項全新的研究，不能僅僅依靠能源部資助，必須尋找更多的私人資金去推動其商業化。

在Alcator內部工作的研究人員

而丹尼斯·懷特教授的核聚變工程原理課程，不僅成為最頂尖核聚變研究人員的孵化器，讓他們有興趣用最新的技術重新評估核聚變發電的實現會有多快，而且推動、引領了麻省理工學院的核聚變研究方向，也有可能是全球核聚變研究的方向。

<六> 愛提問的教授繼續他的小型核聚變夢想

2020年，丹尼斯·懷特教授擴大了核聚變工程的教學團隊，包括美國公司LucidTiger和TerraPraxis的創始人兼CEO埃裡克·英格索爾(Eric Ingersoll)--一位非常有經驗的職業經理人和戰略顧問。

美國公司LucidTiger和TerraPraxis的創始人兼CEO埃裡克·英格索爾

他們為新的班級提出了新的問題：能否使用聚變作為國際航運的一種密集的無碳綠色能源。

這學期的成果，便是文章開頭的今年班級的報告：一臺可為船舶發動機製造氨燃料的船載核聚變裝置

由於疫情原因，這年的課程採用虛擬課程。於是另一所大學普林斯頓的一些學生、博士後和教師得以以志願者的身份加入課堂，最終他們在普林斯頓也開設一門類似結構的課程。他們與麻省理工學院的學生和教授組成了四個團隊，合作設計出一種船上產生船用發動機用氨燃料的方法。這個裝置被稱為“ARCH”。

對於參與ARCH專案的麻省理工學院研究生Rachel Bielajew來說，這個專案為她提供了與她的其他課程和日常研究截然不同的經驗：

“有一個經濟目標來驅動設計選擇，這無疑是有動機的。這門課還讓我進一步認識到，通向成功的聚變反應堆的途徑是多學科的，在許多領域都有重要的研究要做。”

麻省理工學院核聚變課程的巨大成功，也對丹尼斯·懷特教授有深刻的影響：

“如果你給年輕人時間、工具和想象力，讓他們一起朝著有意義的目標努力--很難想象t他們會有多強大的力量。”

“學生集體努力的創新改變了我的世界觀，我相信，聚變能源的前景也發生了變化。”

<結語>

我沒有預料到引領全球最領先的小型核聚變研究及初創企業的，是麻省理工學院幾位博士研究生。我此前一直希望深入地瞭解這種創新模式。

但是看過丹尼斯·懷特的課程以及SPARC的誕生，卻發現美國的頂尖科技創新是如此的簡單：

正確的人，在正確的場合，向正確的人，提了一個正確的問題！

昨天我提出了一個問題：是誰第一個想到了用高溫超導磁鐵去實現小型核聚變。你猜對了嗎？

這個看似簡單的問題裡蘊藏著創新的道理：

解決自己的問題，或解決現實世界的問題，是創新價值的分水嶺。

我是中國公民、廣東市民、深圳居民、熱愛祖國、熱愛鑽研新鮮尖端科技的Jim博士。我先去看看愛提問題的丹尼斯·懷特教授這個學期又提了什麼問題。下次見！

<參考>

MIT2015核聚變工程學期成果介紹：https://news.mit.edu/2015/small-modular-efficient-fusion-plant-0810

MIT2018核聚變工程學期成果介紹：https://news.mit.edu/2018/solving-excess-heat-fusion-power-plants-1009

MIT2021核聚變工程學期成果介紹：http://web.mit.edu/nse/news/2021/ARCH-fusion-power-plant.html

MIT2015年ARC設計：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0920379615302337?via%3Dihub

丹尼斯·懷特教授的助教：https://www.linkedin.com/in/eric-ingersoll-35095062