如何分离对反应堆结构有损害的余热

长期以来，聚变堆面临的一个挑战是：如何分离对反应堆结构有损害的余热。在研究人员的帮助下，MIT 的一个课堂练习最终为聚变电站的发展提供了一项新颖的解决方案。

利用高温超导磁铁设计的紧凑型聚变堆是该方案的创新之处。这种新方法为 MIT 今年新的研究项目奠定了基础，同时还成立了一家初创公司对这一概念进行研发。新设计与传统的聚变堆不同，它的内部腔室可以打开，关键的组件也可以替换。对于最新提出的排热机制而言，这种性能至关重要。

图丨具有紧凑，高强度电场特性的 ARC 聚变堆的概念设计。该设计结合了最新研究的创新点来控制等离子体的排热问题。

该方案的具体细节参见《聚变工程与设计》杂志的一篇论文。论文作者包括参与该课程的研究生 Adam Kuang、另外 14 名 MIT 学生、三菱电机研究实验室和 Commonwealth Fusion Systems 公司的工程师，以及 MIT 等离子体科学与聚变中心的丹尼斯·怀特（Dennis Whyte）教授。怀特教授也是这门课的授课老师。

据怀特介绍，本质上讲聚变堆内部排热可以与汽车排气系统进行类比。在新设计中，聚变堆的“排气管”比现今任何聚变设计都更长、更宽，使得它能更有效地排出余热。但该设计在工程实现上需要大量复杂分析，同时还要对许多可能的替代设计进行评估。

驯化聚变等离子体

太阳内部的反应即为聚变。聚变能的最终目的是利用氘和锂产生清洁能源。氘是氢的同位素，可以从海水中提取，所以聚变堆的燃料供应是无限的。但人们进行了数十年的聚变研究，仍然没有造出输出能量等于消耗能量的聚变装置，更不用说有净能量输出的聚变装置了。

今年早些时候，MIT 提出的新型聚变堆，结合其它人提出的一些创新设计，实用型聚变电站似乎触手可及。但仍有一些设计上的挑战亟需解决，包括如何有效地从高温带电等离子体中将热量分离从来。

聚变堆内部产生的能量主要以中子的形式释放出来，这部分能量会加热包裹着等离子体的包层。对于一个有电力输出的反应堆，加热的包层可以用于驱动涡轮机。但等离子体本身也会产生 20% 的热量，这部分热量必须分离出来以防反应堆腔室材料被熔毁。

在聚变装置内部，等离子体的温度到达数百万度，没有材料能够承受这种温度。所以，要用高强度磁铁来约束等离子体，以防它与环型腔内壁有直接接触。传统的聚变设计中会使用一组单独的磁铁形成的侧室来排出余热。但对于新的紧凑型反应堆而言，这些所谓的偏滤器无法承受它所产生的热量。

ARC 设计的一个亮点是，相比于传统反应堆，输出同样功率所需装置体积要小得多。但这也意味着在更小的空间内束缚更多能量，所以有更多热量需要排出。

“如果我们在余热排除上无所作为，装置会崩溃，”论文第一作者 Kuang 说。这是团队所面临的挑战，这一问题最终也得以解决。

内部工作

传统聚变堆设计中，由于无法将次级磁性线圈置于实心的初级线圈内部，形成偏滤器的次级线圈只能置于初级线圈之外。这意味着次级线圈要足够大、足够强，这样才能让磁场贯穿腔室。但这样做的结果是，它们不能精确控制等离子体的形状。

MIT 的设计被称为 ARC（advanced, robust, compact——先进、坚固、紧凑），其特性为磁铁分段安装，可以拆卸检修。这就使得整个内部是可以利用的，能将次级线圈放在主线圈之内。有了这种新的布置，“只需将它们移近等离子体就可以大大缩小尺寸，”Kuang 说。

图丨 ARC 的概念设计，组件依次为：1. 等离子体；2. 新设计的偏滤器；3. 铜线圈；4. 高温超导体（HTS）极向场线圈，用来对偏滤器内的等离子体塑形；5. FLiBe 包层，液态材料，用于吸收中子热量；6.HTS 环形场线圈，对主环的等离子体塑形；7.HTS 中央电磁阀；8. 真空腔室；9. FLiBe 罐；10. 环形励磁线圈的接头，可以打开并进入内部。

在《聚变工程原理》这门研究生课程期间，学生们组队解决散热难题的各个分支。每个团队首先要进行全面的文献检索，看哪些概念已经被尝试过了。然后他们再集思广益，提出很多概念，并逐渐淘汰那些不成功的设计。那些有希望的设计要经过进一步详细计算与模拟。他们的研究一部分是基于数十年来的研究数据，比如 MIT 两年前退役的 Alcator C-Mod 聚变装置。C-Mod 科学家布莱恩·拉邦巴的（Brian LaBombard）也分享了有关新型偏滤器的见解，三菱的两位工程师也与团队合作研究。一些学生在课程结束后仍继续参与项目，最终带来了论文中的研究成果。模拟结果表明了新设计的有效性。

“我们的发现很令人振奋，”怀特说。研究成果是更长、更大的偏滤器，它可以更精确地控制等离子体。因此，它们可以应付高强度热负荷。

“我们想让‘排气管’尽可能大，”怀特说，并解释说次级磁铁置于初级磁铁内部的做法使得这成为可能。“这对聚变堆而言是一次革命，”他说。利用高温超导体，ARC 的磁铁设计不仅更紧凑，“还为优化设计提供了很多选择”，包括这种新型偏滤器的设计。

展望未来，既然基本的概念设计已经提出，就有很大空间进行研发与优化，包括次级磁铁的具体形状与位置。研究人员正致力于进一步细化设计的研究。

“这为聚变装置的偏滤器设计和热量分配开辟了新思路，”怀特说。

英国约克大学物理学教授布鲁斯·利普丘兹（Bruce Lipschultz）虽然没有参与到这项工作，但是他表示：“ARC 的所有工作都令人大开眼界，并且刺激了托卡马克堆的新研究方案。”他说，这篇新论文“将该领域的新想法与托卡马克概念中许多其它重大改进相结合。ARC 对偏滤器的研究表明，将其应用到反应堆上并非如别人所说的那样是不可能的。”

利普丘兹还补充道：“这是一项高质量研究，它为托卡马克对展示了前进方向并刺激的新的研究。”