操纵磁铁来寻求核聚变

7月25日,2021年

“你得到了高场地,你就得到了表现。”资深研究科学家Brian Labombard.is summarizing what might be considered a guiding philosophy behind designing and engineering fusion devices at MIT’s Plasma Science and Fusion Center (PSFC).Now he has turned his attention to the PSFC’s latest fusion venture, a fusion energy project called SPARC.Designed in collaboration with MIT spinoff Commonwealth Fusion Systems (CFS), SPARC employs novel high temperature superconducting (HTS) magnets at high-field to achieve fusion that will produce net energy gain.Some of these magnets will wrap toroidally around the tokamak’s doughnut-shaped vacuum chamber, confining fusion reactions and preventing damage to the walls of the device.A history of achievementThat LaBombard is part of the PSFC’s next fusion project is not unusual; that he is involved in designing, engineering, and testing the magnets is.

“你得到了高场地,你就得到了表现。”

资深研究科学家Brian Labombard.正在总结麻省理工学院等离子体科学与聚变中心(PSFC)设计和工程聚变设备的指导思想。从1972年的Alcator A托卡马克开始,到Alcator C(1978)和Alcator C- mod (1991), PSFC使用了具有高磁场的磁铁来限制热等离子体在紧凑、高性能的托卡马克。1978年,LaBombard以研究生的身份加入了当时的等离子聚变中心(Plasma Fusion Center),当时Alcator a刚刚结束运行,LaBombard是为数不多的几个对高场概念的每一次迭代都进行过研究的人之一。现在他把注意力转向了PSFC最新的核聚变项目,一个名为SPARC.

与MIT Spinoff合作设计英联邦融合系统(CFS),SPARC在高场采用新型高温超导(HTS)磁铁,以实现将产生净能量增益的融合。其中一些磁体将环形环绕托卡马克的甜甜圈形真空室,限制熔融反应并防止损坏装置的壁。

PSFC已经花了三年的研究,开发和制造了这些环形领域(TF)线圈的缩放版本 - 环形领域模型线圈或TFMC。在TF线圈可以为SPARC,Labombard和他的团队需要在这个Tokamak中经历的条件下测试模型线圈。

需要冷却HTS磁体以保持超导,并保护由电流产生的热量保护。为了测试,TFMC将封闭在低温恒温器中,冷却到最终TOKAMAK操作所需的低温,并充电电流以产生磁场。磁体如何随着电流提供给线圈的响应将确定该技术是否掌握以构建SPARC的18个TF线圈。

成就的历史

Labombard是PSFC的下一个融合项目的一部分并不罕见;他参与设计,工程和测试磁铁是。直到2018年,当他领导研发研究团队为一个被认为是SPARC的磁铁设计时,Labombard的30多年的庆祝研究已经集中在融合问题的其他领域。

在研究生阶段,他在博士论文中发表的研究成果很早就获得了好评。在研究Alcator C时,他在托卡马克的“边界”区域,即聚变核心边缘和机器壁之间,对等离子体物理学有了突破性的发现。带着典型的谦虚,LaBombard将他的成功部分归功于这个课题没有得到充分的研究,以及Alcator C提供了在其他机器上无法实现的测量。

“人们知道边界,但没有人真的很详细地学习。在Alcator C上,有趣的现象,例如Marfes [来自边缘的多方面的不对称辐射],首次检测。这让我推动了以前没有人见过的细节制造边界层测量。这是全新的领土,所以我做了一个大的飞溅。“

这普拉什将他作为边界等离子体领域的领先研究员建立起来。After a two-year turn at the University of California at Los Angeles working on a plasma-wall test facility called PISCES, LaBombard, who grew up in New England, was happy to return to MIT to join the PSFC’s new Alcator C-Mod project.

在C-Mod的建设阶段和运营的28年里,LaBombard继续为理解托卡马克边缘和转向等离子体,以及设计能够在恶劣条件下生存并提供等离子体控制的内部组件做出了开创性的贡献包括C-Mod的垂直目标板分流器和独特的分流器低温泵系统。这段经历让他想到了“x点目标转向器”(X-point target divertor),用于处理极端聚变动力废气,并提出了一个国家先进转向器托卡马克实验(ADX)来测试这些想法。

一直以来,LaBombard真正的热情在于创造革命性的诊断方法来揭示边界层物理学,并引导研究生们做同样的事情:一个Omegatron,直接测量边界等离子体中的杂质浓度,通过电荷质量比来解决;快速扫描Langmuir-Mach探针测量等离子体流动;一个鞋带天线,提供对边缘等离子体波动的洞察;发明了用于实时测量高带宽等离子体湍流的Mirror Langmuir探针。

开关侧

他的专业知识建立,他本可以通过与其他实验室和PSFC的合作来继续关注等离子体的边缘。相反,他发现自己在真空室的另一侧,浸入磁铁设计和技术。挑战SPARC的有效HTS磁铁设计,他和他的团队能够提出一个胜利的战略,似乎最有可能达到紧凑的高场和高性能,即PSFC TOKAMAKS是为之挑剔的。

LaBombard对他的新方向感到兴奋,并对即将到来的TFMC测试感到兴奋。他的新角色利用了他在电学和磁学方面的物理学背景。这也支持了他对设计和制造东西的热情,他在高中时向身为机械师的父亲学习,并专业地探索为Alcator C-Mod建造系统。

“我查看我的主要角色是确保TF线圈电气地工作,即它应该的方式,”他说。“所以它产生磁场而不会损坏线圈。”

成功的测试将验证对新磁铁技术如何工作的理解,并将为团队准备为SPARC构建磁铁。

其中监督TFMC测试时间的人将是研究生,当前和前者,提醒他自己的学生日的Labombard在Alcator C上工作,以及他的岁月监督Alcator C-Mod的学生。

“这些学生直接参与了Alcator C-Mod。他们会跳进,让事情发生 - 作为一支球队。这种团队精神真的让每个人都能得到Excel。

“并寻求当SPARC正在塑造时,你可以看到整个董事会,从新人到年轻的人,他们真的被Alcator的精神从事 - 通过认识到高度可以实现的等离子体性能磁场。”

他笑着回顾过去,展望未来。

“他们将它带到SPARC。”

这个消息的来源来自麻省理工学院

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