麻省理工学院教授我的3位博士生如何创造了小型可控核聚变

　　编者按：2021年9月5日，麻省理工学院创造了世界上最强的高温超导磁铁的报道，为大众揭开了一家从事小型托卡马克核聚变装置研究的初创企业的面纱。那么是谁提出了高温超导用于小型托卡马克核聚变的想法？又是谁推动了这项计划？
　　＂没有一个天才能解决所有的问题。＂
　　<一> 他们想做船载核聚变
　　2021年年4月，麻省理工学院核技术学院的教授丹尼斯·怀特( (Dennis Whyte )的核聚变工程原理课上，这个班级就如何使用聚变技术为船舶制造无碳燃料做了结题报告：
　　一台可为船舶发动机制造氨燃料的船载核聚变装置
　　船载聚变装置的概念设计，可为船舶发动机制造氨燃料。
　　当然，这已经不是这位麻省理工学院等离子体等离子体科学与聚变中心(PSFC)主任第一次听取这样的报告了。
　　<二> 爱提问题的教授
　　丹尼斯·怀特教授是麻省理工学院等离子科学与聚变中心主任，是聚变研究领域公认的领导者。
　　核聚变工程原理是麻省理工学院一门一个学期的课程。
　　2010年左右，当丹尼斯·怀特教授第一次教授核聚变工程原理课程时，他放弃了标准的讲座式教学，鼓励全班集体努力寻找＂现实世界＂问题的解决方案 。
　　ITER过于庞大
　　当时，国际热核聚变工程ITER由于规模太大，造价高昂，面临巨大的工程障碍。仅仅是这些庞大的17米长的巨型磁铁已经让工程举步维艰。
　　ITER项目长达17米的大型磁铁
　　丹尼斯·怀特刚好学到了第二代高温超导磁铁REBCO（一种可以在液氮温度工作的稀土钡铜氧超导磁带），于是教授向他的班级提出了两个亟待解决的核聚变研究问题：
　　第二代高温超导磁铁REBCO带材
　　1，利用第二代高温超导磁铁这种颠覆性的产品，这个班能设计出一台用于研究核聚变稳态运行问题的装置吗？
　　2，新的机器的部件能否实现很容易地取出、更换或改变，使托卡马克能够灵活地进行不同的实验呢？
　　Vulcan
　　这个班级努力地解决丹尼斯·怀特教授提出的问题，最后提出了一个名为＂Vulcan ＂的稳态托卡马克。丹尼斯·怀特惊叹于这个班级的创造性工作--这些足以为核聚变的工程和设计撰写五篇同行评议的文章。
　　我看见其中一篇文章发表在2012年的《核聚变工程与设计》上，这篇文章详细地讲述了Vulcan的设计方案。
　　2012年发表的Vulcan设计论文
　　<三> 团结的研究生班级
　　两年后，爱提问题的 丹尼斯·怀特，在新一年的课程上，向班级提出另一个更困难的问题：
　　能否使用这种第二代高温超导磁铁去制造达到ITER一样500兆瓦功率的小型核聚变装置？
　　团结的班级开始了新的努力：他们在各个方向进行分工合作，寻找解决方案。为了帮助这个班级快速认识一些核聚变基本物理问题， 丹尼斯·怀特请来了其他系里的教授共同参与。
　　于是，这个班级研究的成果诞生了 基于高温超导磁铁的新核聚变装置ARC 。并且他们发表了一篇经典论文，第一作者是研究生Brandon Sorbom。
　　Brandon Sorbom博士的论文中设计的ARC
　　这篇论文标题是：
　　＂ 一个紧凑、高场强、核聚变科学设施和具有可拆卸磁铁的示范发电厂 ＂。
　　这篇长达36页的论文里，给出了ARC的详细设计资料。这篇论文目前被引用200次左右，你可以从其中找到几乎所有设计这台核聚变装置相关的内容。
　　2015年发表的ARC设计论文
　　因为ARC是一个较为庞大的项目，无法立即建造， 丹尼斯·怀特又提出新的问题：
　　如何在一个较小的设备中研究ARC设计中最重要的元素？
　　他的博士后和学生给出的回答是： SPARC， 这是一个大概只有ARC1/3大的试验型装置。
　　SPARC装置
　　SPARC的D型磁铁只有2米高，1米宽--只有ITER的17米长，8米宽的巨型磁铁的约1/8大。
　　SPARC装置的D型磁铁
　　<四> 这可不是一个玩笑
　　基于核聚变工程原理课程的几年积累，麻省理工学院这个全球久负盛名的顶尖学府，重新定义了核聚变研究的目标和方向：
　　第一步完成托卡马克D型超导磁铁；
　　第二步完成一个50兆瓦的示范工程堆SPARC，并且能量增益Q>2；
　　第三步是实现电功率200兆瓦的商业化核聚变反应堆ARC，能量增益Q>10.
　　为了完成可控核聚变商用化的目标，这几位有着Vulcan、ARC、SPARC设计经验的博士生成立了CFS：
　　麻省理工2013届博士Mumgaard
　　麻省理工2013届博士Dan Brunner
　　麻省理工2017届博士Brandon Sorbom
　　丹尼斯·怀特教授和他的博士生们
　　CFS的 愿景：更快实现无限的清洁能源
　　CFS的愿景：
　　CFS严格执行了既定目标：第一阶段是 三年时间完成颠覆性的高强磁场的高温超导磁铁。
　　下图，便是2021年9月5日，麻省理工学院和CFS宣布创造的世界上最强的托卡马克D型高温超导磁体：这个长度大约2米，块1米的磁铁，只有ITER的大型磁铁的1/8大小，但是c。
　　麻省理工制造全球最高磁场强度的超导磁铁
　　最重要的第一步革命性的工作--磁体研发完成了，接下来的SPARC还会远吗？
　　<五> 这门课程引领了麻省理工学院未来10年的研究方向
　　几十年来，研究人员一直在探索可控核聚变。这种为太阳提供动力的反应，是地球上无穷无尽的无碳能源的潜在来源。
　　麻省理工学院此前的23年里，用一系列的＂阿尔卡托＂(Alcator)托卡马克装置来研究这一过程，并且取得了很多重要的结果。
　　Alcator内部照片
　　2016年麻省理工学院结束运营Alcator，开始全力研究由这些研究生在课程里设计出来的SPARC和ARC。
　　并且，麻省理工学院意识到，这项全新的研究，不能仅仅依靠能源部资助，必须寻找更多的私人资金去推动其商业化。
　　在Alcator内部工作的研究人员
　　而丹尼斯·怀特教授的核聚变工程原理课程，不仅成为最顶尖核聚变研究人员的孵化器，让他们有兴趣用最新的技术重新评估核聚变发电的实现会有多快，而且推动、引领了麻省理工学院的核聚变研究方向，也有可能是全球核聚变研究的方向。
　　<六> 爱提问的教授继续他的小型核聚变梦想
　　2020年， 丹尼斯·怀特教授扩大了核聚变工程的教学团队，包括美国公司LucidTiger和TerraPraxis的创始人兼CEO埃里克·英格索尔(Eric Ingersoll)--一位非常有经验的职业经理人和战略顾问。
　　美国公司LucidTiger和TerraPraxis的创始人兼CEO埃里克·英格索尔
　　他们为新的班级提出了新的问题： 能否使用聚变作为国际航运的一种密集的无碳绿色能源。
　　这学期的成果，便是文章开头的今年班级的报告：一台可为船舶发动机制造氨燃料的船载核聚变装置
　　由于疫情原因，这年的课程采用虚拟课程。 于是另一所大学普林斯顿的一些学生、博士后和教师得以以志愿者的身份加入课堂，最终他们在普林斯顿也开设一门类似结构的课程。他们与麻省理工学院的学生和教授组成了四个团队，合作设计出一种船上产生船用发动机用氨燃料的方法。这个装置被称为＂ ARC H ＂。
　　对于参与ARCH项目的麻省理工学院研究生Rachel Bielajew来说，这个项目为她提供了与她的其他课程和日常研究截然不同的经验：
　　＂ 有一个经济目标来驱动设计选择，这无疑是有动机的。这门课还让我进一步认识到，通向成功的聚变反应堆的途径是多学科的，在许多领域都有重要的研究要做。 ＂
　　麻省理工学院核聚变课程的巨大成功，也对丹尼斯·怀特教授有深刻的影响：
　　＂ 如果你给年轻人时间、工具和想象力，让他们一起朝着有意义的目标努力--很难想象t他们会有多强大的力量。 ＂
　　＂ 学生集体努力的创新改变了我的世界观，我相信，聚变能源的前景也发生了变化。 ＂
　　<结语>
　　我没有预料到引领全球最领先的小型核聚变研究及初创企业的，是麻省理工学院几位博士研究生。我此前一直希望深入地了解这种创新模式。
　　但是看过丹尼斯·怀特的课程以及SPARC的诞生，却发现美国的顶尖科技创新是如此的简单：
　　正确的人，在正确的场合，向正确的人，提了一个正确的问题！
　　昨天我提出了一个问题：是谁第一个想到了用高温超导磁铁去实现小型核聚变。你猜对了吗？
　　这个看似简单的问题里蕴藏着创新的道理：
　　解决自己的问题，或解决现实世界的问题，是创新价值的分水岭。
　　我是中国公民、广东市民、深圳居民、热爱祖国、热爱钻研新鲜尖端科技的Jim博士。我先去看看爱提问题的丹尼斯·怀特教授这个学期又提了什么问题。下次见！
　　<参考>
　　MIT2015核聚变工程学期成果介绍：https://news.mit.edu/2015/small-modular-efficient-fusion-plant-0810
　　MIT2018核聚变工程学期成果介绍：https://news.mit.edu/2018/solving-excess-heat-fusion-power-plants-1009
　　MIT2021核聚变工程学期成果介绍：http://web.mit.edu/nse/news/2021/ARCH-fusion-power-plant.html
　　MIT2015年ARC设计：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0920379615302337?via%3Dihub
　　丹尼斯·怀特教授的助教：https://www.linkedin.com/in/eric-ingersoll-35095062