3月7日消息，美国能源部 (DOE) 普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 的科学家们设计了一种新型磁体，可以帮助从称为托卡马克的甜甜圈形聚变设施到创建人体详细图片的医疗机器等各种设备。

PPPL 物理学家翟玉湖在一系列与他的磁体研究相关的图像前。从左上起顺时针：托卡马克聚变设施的计算机图像，两张显示新超导磁体磁力的图像，磁体原型的照片。图片来源：Elle Starkman，Kiran Sudarsanan/普林斯顿大学

托卡马克依靠称为螺线管的中央电磁体产生限制等离子体的电流和磁场——由自由电子和原子核组成的物质的热、带电状态——因此可以发生聚变反应。但是，随着时间的推移，在暴露于等离子体发出的称为中子的高能亚原子粒子后，电磁铁导线周围的绝缘层会退化。如果他们这样做了，磁铁可能会失效并降低托卡马克利用聚变能量的能力。

在这种新型磁铁中，金属起到绝缘作用，因此不会被颗粒损坏。此外，它可以在比目前的超导电磁体更高的温度下工作，使其更易于维护。

聚变是驱动太阳和恒星的能量，它结合等离子体形式的轻元素来产生大量能量。科学家们正在寻求在地球上复制聚变，以获得几乎用之不竭的电力供应来发电。

“我们的创新既简化了制造过程，又使磁体更能耐受聚变反应产生的辐射，”PPPL 的首席工程师、报告超导科学与技术结果的论文的主要作者 Yuhu Zhai 说。

“如果我们正在设计一个可以连续运行数小时或数天的发电厂，那么我们就不能使用当前的磁铁，”翟说：“这些设施将比目前的实验设施产生更多的高能粒子。今天生产的磁铁对于商业聚变发电厂等未来设施的持续时间不够长。”

电磁铁不同于将艺术品固定在冰箱门上的简单永磁体。电磁铁由一圈绝缘导线组成，该线圈承载电流，在流动时会产生磁场。电磁铁被用于各种设备，从托卡马克到在垃圾场举起被撞汽车的起重机，以及扫描人体内部的磁共振成像设备。

翟等人已经制作了一个原型磁铁，并取得了令人鼓舞的成果。

“在我们的测试中，我们的磁铁产生了电线可以承载的最大电流的 83%，这是一个非常好的数量，”他说：“科学家在设计和制造大功率磁铁时通常只使用 70% 的超导线电流容量。而像在法国建造的国际聚变设施 ITER 中使用的大型磁铁通常只使用 50%。”

新磁铁的导线由铌（有时用于喷气发动机）和锡制成。当以特殊方式加热时，这些元素形成超导体，允许电流在极低的温度下无电阻地流过它。因此，对防止电流泄漏的绝缘的需求要少得多。

“这个新概念很有趣，因为它允许磁铁在很小的空间内携带大量电流，从而减少了磁铁在托卡马克中所占的体积，”PPPL 总工程师 Robert Ellis 说：“这种磁铁还可以在比今天的磁铁更高的电流密度和更强的磁场下工作。这两种品质都很重要，可以降低成本。”

总而言之，新的发展将对聚变能的发展产生深远的影响。PPPL 首席科学官 Michael Zarnstorff 说：“这是制造电磁体方式的革命性变化。通过仅用金属制造磁铁并消除使用绝缘的需要，您可以摆脱许多昂贵的步骤，并减少线圈发生故障的机会。这是非常重要的东西。”

翟和全国、乃至世界各地的合作者现在正在与私营企业合作，进一步开发无绝缘原型。这种新型的基于高温超导体的电磁铁可以成为试点聚变发电厂的基础组件。