每日經濟新聞 2024-03-11 16:01:29
◎ 無限清潔能源的未來，可能就我們在眼前。
每經記者 蔡鼎 每經編輯 蘭素英
近日，美國麻省理工學院（簡稱MIT）等離子體科學與核聚變中心以及英聯邦聚變系統公司（簡稱CFS）的研究團隊發布論文稱，他們所研發的一種新型高溫超導磁體的磁場強度據稱達到了20特斯拉，創下了世界紀錄。（注：特斯拉是磁通量密度或磁感應強度的國際單位制導出單位。）
20特斯拉的強度正是建造核聚變發電廠所需的磁場強度，有望產生凈輸出功率，并有可能開創一個幾乎無限發電的時代。
更值得期待的是，據剛卸任MIT等離子體科學與聚變中心主任的Dennis Whyte透露，“MIT團隊將聚變反應堆的每瓦特成本幾乎降低到了1/40，讓核聚變技術在商用成為了可能。這是過去30年來核聚變研究中最重要的事情。”
這預示著核聚變有望很快從一個實驗室中的科學研究項目，成為可以商業化的技術，可以為全球提供無限的清潔能源。
當地時間3月6日，美國麻省理工學院（簡稱MIT）等離子體科學與核聚變中心以及英聯邦聚變系統公司（簡稱CFS）的研究人員撰寫了一份詳細的報告，介紹了團隊大約3年前實現的一個重大突破。
2021年9月5日，MIT等離子體科學與核聚變中心的研究人員發現，一種由高溫超導材料制成的新型磁體實現了20特斯拉的磁場強度，創下世界紀錄。
《每日經濟新聞》記者注意到，20特斯拉的強度正是建造核聚變發電廠所需的磁場強度，有望產生凈輸出功率，并有可能開創一個幾乎無限發電的時代。
圖片來源：MIT News
這種磁體所用的材料名為REBCO（Rare Earth Barium Copper Oxide，稀土鋇銅氧化物），可以在20開爾文的溫度下工作，無需在導體繞組之間進行復雜的絕緣處理。與其他基于超導體的磁體相比，REBCO磁體所需的絕緣材料更少，而且，REBCO磁體是裸露的，因此具有更強的導電性。這不僅可以簡化材料的制造過程，還可以讓超導帶實現更為緊密的排列，提高磁場強度和密度，更可以讓冷卻裝置直接接觸超導帶，提高冷卻效率。
MIT團隊隨后宣布了試驗的成功，稱達到了設計新型核聚變裝置（被稱為SPARC）的所有標準。
但試驗的成功，并不是研究的終點。在隨后的幾個月里，團隊拆解并檢查了磁體的各個部件，仔細研究并分析了數百臺記錄測試細節的儀器所提供的數據。他們還在同一塊磁鐵上進行了兩次測試，通過故意制造不穩定條件（包括完全關閉冷卻裝置電源等），將設備的運轉條件推向了極限，以驗證超導磁體是否能在各種極限場景下穩定工作。
結果發現，在人為制造的不穩定條件下，磁體線圈的受損部分只占線圈總體積的百分之幾。這與REBCO對絕緣材料的更低需求以及裸露的特性有關——潛在的過熱會更加均勻地分布在整個磁體，有助于防止局部損傷，增強磁體的整體穩定性和安全性。根據這個結果，研究人員對整體設計進行了修改，預計即使在最極端的條件下，也能防止實際核聚變裝置的磁體出現這種規模的損壞。
值得一提的是，基于這一重大發現，該團隊的實用型聚變反應堆（Practical Fusion Reactors）還入選了2022年《麻省理工科技評論》的“全球十大突破性技術”。
有關MIT實驗的報告發表在IEEE應用超導學報3月特刊的6篇經過同行評審的論文中，論文介紹了磁體的設計和制造、評估其性能所需的診斷設備，以及從試驗過程中吸取的經驗教訓。
不久前剛卸任MIT等離子體科學與聚變中心主任的Dennis Whyte表示，“一夜之間，MIT團隊將聚變反應堆的每瓦特成本幾乎降低到了1/40，讓核聚變技術商用成為可能。在我看來，這是過去30年來核聚變研究中最重要的事情。”
“現在核聚變有了機會。”Whyte說道。“托卡馬克是目前使用最廣泛的聚變實驗裝置設計。在我看來，托卡馬克有機會變得經濟實惠，因為在已知的約束物理規則下，我們可以大幅減小實現聚變所需裝置的體積和成本，這是一個質的飛躍。”
該團隊的超導磁體也構成了CFS正在建造的SPARC核聚變裝置的甜甜圈形腔體。這個腔體由16塊被稱為“薄餅”的板塊組成，每塊板塊的一側都纏繞著螺旋形的超導帶，另一側則是氦氣冷卻通道。
核聚變是將輕原子結合形成更重原子的核反應試驗過程，為太陽和恒星提供能量。但在地球上利用這一過程是一項艱巨的挑戰。長期以來，人類追求的目標是建造一座核聚變發電廠?？茖W家希望利用核聚變產生的能量來創造一種清潔能源，以取代化石燃料和危險的核裂變操作。
需要指出的是，核聚變發電廠可以實現在運行過程中幾乎不排放溫室氣體，產生的放射性廢物也很少。而且，核聚變的燃料是一種可以海水中提取的氫，幾乎是無限的。
然而，要建造這樣的核聚變發電廠，需要在極高的溫度和壓力下壓縮燃料，由于目前沒有任何已知材料能夠承受這樣的溫度，因此必須利用極其強大的磁場來約束燃料。若想產生如此強大的磁場需要超導磁體，但之前所有的核聚變磁體都是用超導材料制造的，這種材料需要絕對零度以上約4開爾文的溫度。
而REBCO這種新型材料可以讓核聚變磁體在20開爾文的溫度下工作，在材料特性和實際工程方面有著顯著的優勢。Dennis Whyte認為，這種材料是對幾乎所有用于制造超導磁體的原理的重新設計。如果采用這種全新的高溫超導材料進行制造超導磁體，不僅僅是在前人的基礎上進行改良，而是需要從頭開始創新和研發。
封面圖片來源：每日經濟新聞 資料圖
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