麻省理工学院的工程课程如何成为聚变设计创新的孵化器。

 

 

“没有孤独的天才能解决所有的问题。”

 

等离子体科学与聚变中心(PSFC)主任丹尼斯·怀特(Dennis Whyte)正在反思他的核科学与工程课程22.63(聚变工程原理)背后的指导思想。最近，他看到他的学生们组队进行最后的演示，讲解如何利用核聚变技术为船舶制造无碳燃料。自从十多年前开始开设这门课程以来，怀特已经不再使用标准的授课方式，而是鼓励全班共同努力，寻找“现实世界”问题的解决方案。在过去的几年里，天富登录网址这门课程和它的协作设计方法，在指导未来的融合在PSFC中发挥了重要作用。

 

 

几十年来，研究人员一直在探索聚变——一种为太阳提供能量的反应——作为地球上几乎无穷无尽的无碳能源的潜在来源。麻省理工学院已经用一系列的“阿尔卡托”托卡马克来研究这个过程，这是一种利用高磁场将热等离子体保持在内部并远离环形真空容器内壁的小型机器，这种机器的作用时间足以使核聚变发生。但是了解等离子体是如何影响托卡马克材料的，以及如何使等离子体的密度和温度达到足以维持聚变反应的程度，一直都是难以捉摸的。

 

孵化核聚变机器和设计团队

 

怀特第二次教授这门课程时，他已经准备好让他的学生解决与净能源托卡马克运行相关的问题，这是生产大量且经济的电力所必需的。这些问题无法用PSFC的Alcator C-Mod托卡马克来探索，它只能在短脉冲内维持聚变，但这些问题可以被设计出24小时工作的聚变装置的专业人员研究。

 

大约在这个时候，怀特发现了高温超导(HTS)磁带，这是一种新型的超导材料，它支持创造更高的磁场来有效地约束等离子体。它有潜力超越上一代超导体的性能，比如在法国建造的ITER中使用的铌锡超导体。班级能否设计一台能够回答稳态运行问题的机器，同时利用这个革命性的产品?此外，如果机器的部件可以很容易地取出、更换或修改，使托卡马克可以灵活地进行不同的实验，会怎么样?

 

班上构想的是一个托卡马克，叫做“火神”。怀特称他的学生们的努力“让人大开眼界”，他们的独创性足以为《聚变工程与设计》撰写五篇同行评议的文章。尽管托卡马克的设计从未直接建造，但它对由新型高温超导磁带制成的可拆卸磁性线圈的探索，为核聚变的未来指明了一条道路。天富平台登录

 

两年后，怀特让他的学生走上了这条道路。他问道:“如果我们试图制造500兆瓦的核聚变能量——与ITER所做的相同——但我们使用这种新的高温超导技术，那么在这种设备中会发生什么?”

 

由于学生小组在项目的各个方面进行工作，并与其他小组协调创造一个综合设计，Whyte决定使课堂环境更加协作。他邀请了PSFC的聚变专家贡献。在这种“集体社区教学”的环境中，学生们在上一节课的基础上展开了研究，创造了高温超导磁体和可拆卸线圈的基础。

 

和以前一样，这些探索的创新最终发表了一篇论文。第一作者是当时的研究生布兰登·索邦17年的博士学位。他向ARC介绍了核聚变领域，文章的标题将其描述为“一个紧凑的、高场的核聚变核科学设施和具有可拆卸磁体的示范电厂。”因为ARC是一个太大的项目，不能立即建立，Whyte和他的一些博士后和学生最终开始思考如何在一个更小的设备中研究ARC设计的最重要的元素。

 

他们的答案是SPARC，基于设计Vulcan和ARC的经验。这个紧凑、高场、净聚变能实验已经成为麻省理工学院和联邦聚变系统(CFS)之间的合作，CFS是一家位于马萨诸塞州剑桥的初创公司，从22.63岁开始培养人才。帮助设计Vulcan的鲍勃·蒙加德(Bob Mumgaard)和丹·布伦纳(Dan Brunner)以及布兰登·索邦(Brandon Sorbom)都是CFS的领导。麻省理工学院NSE助理教授Zach Hartwig作为学生参与了Vulcan项目，他也一直参与SPARC项目和发展。