今年10月27日，位于新西兰惠灵顿的商业聚变公司OpenStar Technologies宣布，其计划建造的悬浮偶极场反应堆（LDR）的核心部件-超导磁体“Junior”已制造完成并开始通电测试，这也标志着其悬浮偶极场聚变装置迎来了首个里程碑时刻。
12月5日，KillerStartups报道了该公司制造出了温度约为 30 万摄氏度的过热等离子体。这标志着其向生产核聚变能源迈出了关键一步。OpenStar 创始人兼首席执行官 Ratu Mataira 说：“第一次产生等离子体是非常重要的时刻，这是你知道一切正常运转的时刻。”这家初创公司花了两年时间，投入了大约 1000 万美元才达到这一点。
一、关于OpenStar Technologies
OpenStar Technologies成立于2021年，总部位于新西兰惠灵顿。公司是全球唯一一家致力于开发悬浮偶极场反应堆（Levitated Dipole Reactor，LDR）的商业化聚变公司，目标2030年代实现商业核聚变发电。OpenStar以麻省理工学院LDX和东京大学RT-1开创的悬浮偶极场开创性实验为基础，采用偶极场固有的天然稳定性创造聚变反应堆为未来提供动力，其核心技术是利用高温超导材料（特别是REBCO线材）来构建能够限制聚变燃料的聚变磁体。
二、关于悬浮偶极场反应堆
1.悬浮偶极（Levitated Dipole）：
这是一种核聚变实验的概念，指的是在核聚变反应器中利用超导圆环产生轴对称磁场，这种磁场类似于地球或木星的磁层。这种设计的目的是通过模仿自然界中的磁场结构来更有效地约束等离子体，以实现核聚变。
2.悬浮偶极子实验（Levitated Dipole Experiment, LDX）：
美国能源部聚变能源办公室资助的一项实验，由麻省理工学院和哥伦比亚大学合作运行。LDX项目旨在通过实验验证悬浮偶极概念，即利用超导圆环产生的磁场来约束等离子体。然而，该项目在2011年11月结束了资金资助，资源被重新分配，重点转向了托卡马克设计的研究。
3.悬浮偶极场反应堆装置（Levitated Dipole Reactor，LDR）：
这是一种基于悬浮载流偶极子线圈产生的闭合极向磁力线形态来进行等离子体约束的实验装置。这种装置的设计灵感来源于宇宙中行星地磁场磁层等离子体环的约束原理，被认为是一种可能比其他聚变反应器设计更有效的等离子体约束方式。悬浮偶极场反应堆装置是悬浮偶极概念在实际聚变反应堆设计中的应用。
三、超导磁体“Junior”
超导磁体“Junior”是悬浮偶极场反应堆技术发展中的一个重要里程碑。它是由新西兰OpenStar Technologies公司建造的。可以说OpenStar Technologies的“Junior”是该公司悬浮偶极场反应堆（Levitated Dipole Reactor，LDR）的核心部件。
1.结构与设计：“Junior”由14个使用ReBCO超导体的非绝缘线圈组成，每个线圈缠绕长达100圈，交替使用高温超导胶带和焊膏层。它被设计为能够承受74吨的压缩力，以抵抗可能导致自爆的应力。
2.悬浮特性：“Junior”能够在没有连接外部电源的情况下，在真空室中间悬浮，同时产生约束等离子体。这种悬浮特性就是我们上面描述的“levitated dipole”。
3.超导材料：“Junior”使用了高温超导材料，与传统聚变装置相比，它对高温的耐受性更强，这一进步允许其在液氮水平下运行，优化了能源效率和等离子体约束能力的同时，并降低了冷却系统的成本和复杂性。
4.能量存储与运行：线圈在30-50K的温度范围内以1.44KA的电流运行，达到5.6T的峰值并存储0.5MJ的能量。
5.电源与冷却：由于板载电源仅提供有限的功率，因此磁体必须间歇性地重新对接和充电。为此，OpenStar使用带有氦气回路的传导冷却，以保持达到磁体的低温工作温度。
聚变反应堆概念结构：
四、悬浮偶极场反应堆装置设计优势
1.更优的物理原理-湍流夹点
偶极等离子体的优越性在于一种称为湍流压缩的现象，其中对流单元驱动压力达到峰值，而不是分散它们。这导致了可扩展的物理特性，减少了出错或需要控制的因素。
- 自然稳定性：偶极等离子体的稳定性基于物理学的基本原理——熵。随着等离子体能量的增加，熵也随之增加。与其他聚变概念不同，偶极等离子体中的湍流压缩现象在加热至聚变温度时保持等离子体的稳定。
- 简约之美：湍流压缩的原理非常简洁，这使得等离子体易于控制，并且可以通过超导磁体进行约束。这种简单性减少了对复杂性的需求，即使在加热和扩展到聚变温度时也是如此。
- 强力且有效的磁体：湍流压缩能够产生远超过用于约束它们的磁压力的等离子体压力。这一特性使得实现聚变压力变得更容易，并且可以使用更小的磁体。这些反应堆只需要更少的超导线，不仅减少了每个反应堆的成本，而且显著提高了每年可以部署的反应堆数量，有助于加快电网脱碳和对抗气候变化。
- 快速混合燃料：聚变反应堆的性能取决于三个关键问题：能否在废气阻塞反应之前将其排出、能否获得正确的燃料混合、以及燃料能否加热并保持热度。偶极等离子体的聚变反应堆在"保持反应热度"和"清理反应残余"之间找到了一个良好的平衡。它不仅能够长时间维持足够的温度以支持聚变反应，而且还能够迅速清除反应后的副产品，从而避免了这些副产品对反应堆性能的负面影响。
2.更优工程-模块化反应堆
与其他概念不同,悬浮偶极子具有松散耦合的架构。磁体、腔体和加热系统易于分离,从而带来许多重大的工程优势。
- 快速迭代的磁体设计：由于偶极磁体与真空容器不是集成在一起的，公司能够快速发展和测试不同的磁体设计，而不必为每次迭代建造一个新的反应堆。这允许磁体设计的快速迭代周期，加速了研发过程，并缩短了上市时间。
- 模块化设计：磁体、真空容器以及加热和诊断系统的模块化特性允许它们并行设计和测试，可以根据需要混合和匹配技术。关键技术的并行开发进一步加速了研发过程。
- 易于维护和更换：如果构成磁体的单个线圈出现故障或失超，可以快速且容易地用新线圈替换，最小化磁体的停机时间，并降低故障成本。
- 强大的功率扩展性：偶极反应堆在功率输出和反应堆尺寸之间有很强的扩展性。由于反应堆和磁体的解耦，反应堆可以做得更大、更强大，同时仍然使用少量的昂贵超导线。主要成本随后像民用基础设施一样扩展，导致反应堆成本更低。
五、中国的悬浮偶极子项目
在中国，悬浮偶极子项目也取得了显著进展。东华理工大学的张国书教授领导的团队负责研发了中国第一个悬浮偶极场聚变实验装置——“天环一号”（CAT-1 China Astro-Torus No.1）。这个项目在2019年提出，并得到了江西省重点研发计划项目经费的支持。CAT-1装置的设计目标是实现等离子体密度达到5×10^19 m^-3，等离子体温度达到500 eV以上，装置真空室半径达4m，超导环外表面磁场超过5T，这些指标在国际上同类装置中处于领先地位。
参考链接：
- https://www.openstar.tech/
- https://www.cnnpn.cn/article/44562.html
- https://tech.chinadaily.com.cn/a/202309/19/WS6509667ca310936092f228a5.html
- https://www.killerstartups.com/nuclear-fusion-startup-openstar-hits-major-milestone/