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    无限清洁能源的未来将至?MIT超导磁体产生创纪录磁场强度,成本低至1/40,核聚变商用成为可能

    每日经济新闻 2024-03-11 16:01

    ◎ 无限清洁能源的未来,可能就我们在眼前。

    每经记者 蔡鼎    每经编辑 兰素英    

    近日,美国麻省理工学院(简称MIT)等离子体科学与核聚变中心以及英联邦聚变系统公司(简称CFS)的研究团队发布论文称,他们所研发的一种新型高温超导磁体的磁场强度据称达到了20特斯拉,创下了世界纪录。(注:特斯拉是磁通量密度或磁感应强度的国际单位制导出单位。)

    20特斯拉的强度正是建造核聚变发电厂所需的磁场强度,有望产生净输出功率,并有可能开创一个几乎无限发电的时代。

    更值得期待的是,据刚卸任MIT等离子体科学与聚变中心主任的Dennis Whyte透露,“MIT团队将聚变反应堆的每瓦特成本几乎降低到了1/40,让核聚变技术在商用成为了可能。这是过去30年来核聚变研究中最重要的事情。”

    这预示着核聚变有望很快从一个实验室中的科学研究项目,成为可以商业化的技术,可以为全球提供无限的清洁能源。

    MIT重大突破:超导磁体磁场强度达20特斯拉,创世界纪录

    当地时间3月6日,美国麻省理工学院(简称MIT)等离子体科学与核聚变中心以及英联邦聚变系统公司(简称CFS)的研究人员撰写了一份详细的报告,介绍了团队大约3年前实现的一个重大突破。

    2021年9月5日,MIT等离子体科学与核聚变中心的研究人员发现,一种由高温超导材料制成的新型磁体实现了20特斯拉的磁场强度,创下世界纪录。

    《每日经济新闻》记者注意到,20特斯拉的强度正是建造核聚变发电厂所需的磁场强度,有望产生净输出功率,并有可能开创一个几乎无限发电的时代。

    图片来源:MIT News

    这种磁体所用的材料名为REBCO(Rare Earth Barium Copper Oxide,稀土钡铜氧化物),可以在20开尔文的温度下工作,无需在导体绕组之间进行复杂的绝缘处理。与其他基于超导体的磁体相比,REBCO磁体所需的绝缘材料更少,而且,REBCO磁体是裸露的,因此具有更强的导电性。这不仅可以简化材料的制造过程,还可以让超导带实现更为紧密的排列,提高磁场强度和密度,更可以让冷却装置直接接触超导带,提高冷却效率。

    MIT团队随后宣布了试验的成功,称达到了设计新型核聚变装置(被称为SPARC)的所有标准。

    试验的成功,并不是研究的终点。在随后的几个月里,团队拆解并检查了磁体的各个部件,仔细研究并分析了数百台记录测试细节的仪器所提供的数据。他们还在同一块磁铁上进行了两次测试,通过故意制造不稳定条件(包括完全关闭冷却装置电源等),将设备的运转条件推向了极限,以验证超导磁体是否能在各种极限场景下稳定工作。

    结果发现,在人为制造的不稳定条件下,磁体线圈的受损部分只占线圈总体积的百分之几。这与REBCO对绝缘材料的更低需求以及裸露的特性有关——潜在的过热会更加均匀地分布在整个磁体,有助于防止局部损伤,增强磁体的整体稳定性和安全性。根据这个结果,研究人员对整体设计进行了修改,预计即使在最极端的条件下,也能防止实际核聚变装置的磁体出现这种规模的损坏。 

    值得一提的是,基于这一重大发现,该团队的实用型聚变反应堆(Practical Fusion Reactors)还入选了2022年《麻省理工科技评论》的“全球十大突破性技术”。

    成本低至1/40,核聚变商用成为可能

    有关MIT实验的报告发表在IEEE应用超导学报3月特刊的6篇经过同行评审的论文中,论文介绍了磁体的设计和制造、评估其性能所需的诊断设备,以及从试验过程中吸取的经验教训。

    不久前刚卸任MIT等离子体科学与聚变中心主任的Dennis Whyte表示,“一夜之间,MIT团队将聚变反应堆的每瓦特成本几乎降低到了1/40,让核聚变技术商用成为可能。在我看来,这是过去30年来核聚变研究中最重要的事情。

    “现在核聚变有了机会。”Whyte说道。“托卡马克是目前使用最广泛的聚变实验装置设计。在我看来,托卡马克有机会变得经济实惠,因为在已知的约束物理规则下,我们可以大幅减小实现聚变所需装置的体积和成本,这是一个质的飞跃。

    该团队的超导磁体也构成了CFS正在建造的SPARC核聚变装置的甜甜圈形腔体。这个腔体由16块被称为“薄饼的板块组成,每块板块的一侧都缠绕着螺旋形的超导带,另一侧则是氦气冷却通道。

    核聚变是将轻原子结合形成更重原子的核反应试验过程,为太阳和恒星提供能量。但在地球上利用这一过程是一项艰巨的挑战。长期以来,人类追求的目标是建造一座核聚变发电厂。科学家希望利用核聚变产生的能量来创造一种清洁能源,以取代化石燃料和危险的核裂变操作。

    需要指出的是,核聚变发电厂可以实现在运行过程中几乎不排放温室气体,产生的放射性废物也很少。而且,核聚变的燃料是一种可以海水中提取的氢,几乎是无限的。 

    然而,要建造这样的核聚变发电厂,需要在极高的温度和压力下压缩燃料,由于目前没有任何已知材料能够承受这样的温度,因此必须利用极其强大的磁场来约束燃料。若想产生如此强大的磁场需要超导磁体,但之前所有的核聚变磁体都是用超导材料制造的,这种材料需要绝对零度以上约4开尔文的温度。 

    REBCO这种新型材料可以让核聚变磁体在20开尔文的温度下工作,在材料特性和实际工程方面有着显著的优势。Dennis Whyte认为,这种材料是对几乎所有用于制造超导磁体的原理的重新设计。如果采用这种全新的高温超导材料进行制造超导磁体,不仅仅是在前人的基础上进行改良,而是需要从头开始创新和研发。

    封面图片来源:每日经济新闻 资料图

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