星环联邦高调宣布的“自由能源未来倡议(FEFI)”如同一剂强心针,暂时稳住了国内部分产业界和民众的情绪,也给其全球盟友体系注入了一丝“我们仍在牌桌”的底气。FEFI框架下,尤其是“普罗米修斯”聚变旗舰计划,被寄予厚望,被视为在聚变赛道追上甚至超越龙芯的关键抓手。
为此,星环联邦能源部与国防高级研究计划局(DARPA)联合牵头,汇聚了国内多家国家实验室、顶尖大学以及波音-洛克达因、通用原子等军工巨头的顶级团队,以“战时状态”启动了代号“自由之星(Liberty Star)”的聚变原型机紧急设计与建造项目。目标直指:在18个月内,建成一台采用新型高温超导磁体、混合了托卡马克与仿星器部分优点的紧凑型装置,并实现“点火”和短时间等离子体约束,以证明其技术路线的可行性,为后续更大规模的“普罗米修斯”示范堆奠定基础。
项目启动之初,确实展现出了星环联邦强大的工程组织能力和资源调动能力。资金以特别拨款形式源源涌入,供应链被最高优先级保障,来自全球(主要是其盟友)的相关专家被高薪聘请。主流媒体也配合进行了大量宣传,将“自由之星”描绘为“自由世界创新精神的结晶”、“打破技术垄断的曙光”。
然而,随着项目进入核心部件制造和集成测试阶段,严酷的技术挑战开始逐一浮出水面,并且以一种令人沮丧的频率,转化为一次又一次的故障和事故。
第一次重大挫折,发生在高温超导磁体系统的测试中。
“自由之星”采用的是一种基于新型稀土钡铜氧(REBCO)涂层导体的高温超导磁体,设计磁场强度高达20特斯拉,远超传统低温超导磁体。然而,在首次全尺寸磁体模块进行极限性能测试时,当电流加载到设计值的85%时,磁体内部突然发生“失超”(Quench)——超导态被破坏,电阻瞬间恢复,巨大的能量以热能形式释放。尽管保护系统迅速动作,但剧烈的局部过热仍然导致该磁体模块内部结构严重损坏,价值数千万美元的原型件宣告报废。
事故分析报告指出,失超源于导体内部一处微米级的涂层缺陷,在强电磁应力下演变为热点。而更深入的调查发现,这种新型导体的规模化制备工艺极不稳定,缺陷率远高于实验室样品水平。解决这一问题,需要从原材料纯度、沉积工艺到质量检测的全链条优化,而这绝非短期可以完成。
紧接着,是等离子体加热与注入系统的麻烦。
为了达到点火温度,“自由之星”设计采用中性束注入(NBI)与电子回旋共振加热(ECRH)相结合的方案。然而,为其特制的大功率、长脉冲中性束源在测试中频频出现离子源不稳定、加速电极打火等问题,最长持续运行时间仅为设计指标的十分之一。ECRH系统的关键部件——高功率回旋管,则在长时间全功率测试中出现了难以解决的热管理和频率漂移问题。
与此同时,项目组在尝试复现龙芯“燧人氏”装置中提到的“场辅助结晶”工艺,用于制造其第一壁和偏滤器关键部件时,遭遇了彻底的失败。他们根本无法理解龙芯专利文件中那些关于“能量场-微观结构耦合”的晦涩描述,更别提制备出性能接近“奇点约束环”的材料。最终只能退而求其次,采用传统但性能远逊的碳化硅复合材料,这为装置的长期运行埋下了隐患。
最致命的一击,来自控制系统。
“自由之星”的等离子体控制算法,是基于对公开的“燧人氏”运行数据(龙芯发布的部分)进行逆向工程和机器学习得到的。然而,当项目组试图在缩比实验装置上运行这套算法时,却发现它极不稳定,对等离子体各种微观扰动的响应常常南辕北辙,多次引发人为的等离子体破裂(Disruption)。专家们意识到,他们缺少最关键的“训练数据”和底层物理模型,逆向得来的算法只是形似而神非,根本无法应对真实聚变环境中复杂多变的物理过程。
雪上加霜的是,项目内部的管理和协作也开始出现问题。来自不同机构、不同公司的团队之间技术壁垒森严,数据共享不畅,甚至出现了相互指责和推诿的情况。紧迫的时间表和巨大的政治压力,导致了一些测试环节被仓促跳过,为后续集成埋下了更多隐患。
终于,在项目启动后的第14个月,“自由之星”原型机迎来了首次整体联调测试。这一次,没有全球直播,只有内部人员和少数特邀专家在场。
测试从低温系统降温开始。当温度逐渐接近超导磁体工作区间时,一个液氦泵的密封件突然失效,导致大量液氦泄漏,迫使测试中断48小时进行检修。
修复后,重新开始磁体励磁。在磁场强度达到12特斯拉时(远低于设计值),多个磁体监测点同时报警,显示局部应力超标和轻微变形。紧急分析认为是支撑结构设计存在缺陷,在强磁场下产生了未曾预料的洛伦兹力。测试再次暂停,进行临时加固。
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