無限清潔能源的未來將至？MIT超導(dǎo)磁體產(chǎn)生創(chuàng)紀(jì)錄磁場強(qiáng)度，成本低至1/40，核聚變商用成為可能

每經(jīng)記者 蔡鼎    每經(jīng)編輯 蘭素英    

近日，美國麻省理工學(xué)院（簡稱MIT）等離子體科學(xué)與核聚變中心以及英聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司（簡稱CFS）的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布論文稱，他們所研發(fā)的一種新型高溫超導(dǎo)磁體的磁場強(qiáng)度據(jù)稱達(dá)到了20特斯拉，創(chuàng)下了世界紀(jì)錄。（注：特斯拉是磁通量密度或磁感應(yīng)強(qiáng)度的國際單位制導(dǎo)出單位。）

20特斯拉的強(qiáng)度正是建造核聚變發(fā)電廠所需的磁場強(qiáng)度，有望產(chǎn)生凈輸出功率，并有可能開創(chuàng)一個幾乎無限發(fā)電的時代。

更值得期待的是，據(jù)剛卸任MIT等離子體科學(xué)與聚變中心主任的Dennis Whyte透露，“MIT團(tuán)隊(duì)將聚變反應(yīng)堆的每瓦特成本幾乎降低到了1/40，讓核聚變技術(shù)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(yù)示著核聚變有望很快從一個實(shí)驗(yàn)室中的科學(xué)研究項(xiàng)目，成為可以商業(yè)化的技術(shù)，可以為全球提供無限的清潔能源。

MIT重大突破：超導(dǎo)磁體磁場強(qiáng)度達(dá)20特斯拉，創(chuàng)世界紀(jì)錄

當(dāng)?shù)貢r間3月6日，美國麻省理工學(xué)院（簡稱MIT）等離子體科學(xué)與核聚變中心以及英聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司（簡稱CFS）的研究人員撰寫了一份詳細(xì)的報(bào)告，介紹了團(tuán)隊(duì)大約3年前實(shí)現(xiàn)的一個重大突破。

2021年9月5日，MIT等離子體科學(xué)與核聚變中心的研究人員發(fā)現(xiàn)，一種由高溫超導(dǎo)材料制成的新型磁體實(shí)現(xiàn)了20特斯拉的磁場強(qiáng)度，創(chuàng)下世界紀(jì)錄。

《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者注意到，20特斯拉的強(qiáng)度正是建造核聚變發(fā)電廠所需的磁場強(qiáng)度，有望產(chǎn)生凈輸出功率，并有可能開創(chuàng)一個幾乎無限發(fā)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(dǎo)體繞組之間進(jìn)行復(fù)雜的絕緣處理。與其他基于超導(dǎo)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(qiáng)的導(dǎo)電性。這不僅可以簡化材料的制造過程，還可以讓超導(dǎo)帶實(shí)現(xiàn)更為緊密的排列，提高磁場強(qiáng)度和密度，更可以讓冷卻裝置直接接觸超導(dǎo)帶，提高冷卻效率。

MIT團(tuán)隊(duì)隨后宣布了試驗(yàn)的成功，稱達(dá)到了設(shè)計(jì)新型核聚變裝置（被稱為SPARC）的所有標(biāo)準(zhǔn)。

但試驗(yàn)的成功，并不是研究的終點(diǎn)。在隨后的幾個月里，團(tuán)隊(duì)拆解并檢查了磁體的各個部件，仔細(xì)研究并分析了數(shù)百臺記錄測試細(xì)節(jié)的儀器所提供的數(shù)據(jù)。他們還在同一塊磁鐵上進(jìn)行了兩次測試，通過故意制造不穩(wěn)定條件（包括完全關(guān)閉冷卻裝置電源等），將設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)條件推向了極限，以驗(yàn)證超導(dǎo)磁體是否能在各種極限場景下穩(wěn)定工作。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在人為制造的不穩(wěn)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(guān)——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(qiáng)磁體的整體穩(wěn)定性和安全性。根據(jù)這個結(jié)果，研究人員對整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改，預(yù)計(jì)即使在最極端的條件下，也能防止實(shí)際核聚變裝置的磁體出現(xiàn)這種規(guī)模的損壞。 

值得一提的是，基于這一重大發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)的實(shí)用型聚變反應(yīng)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(shù)”。

成本低至1/40，核聚變商用成為可能

有關(guān)MIT實(shí)驗(yàn)的報(bào)告發(fā)表在IEEE應(yīng)用超導(dǎo)學(xué)報(bào)3月特刊的6篇經(jīng)過同行評審的論文中，論文介紹了磁體的設(shè)計(jì)和制造、評估其性能所需的診斷設(shè)備，以及從試驗(yàn)過程中吸取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

不久前剛卸任MIT等離子體科學(xué)與聚變中心主任的Dennis Whyte表示，“一夜之間，MIT團(tuán)隊(duì)將聚變反應(yīng)堆的每瓦特成本幾乎降低到了1/40，讓核聚變技術(shù)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(xiàn)在核聚變有了機(jī)會。”Whyte說道。“托卡馬克是目前使用最廣泛的聚變實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)。在我看來，托卡馬克有機(jī)會變得經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因?yàn)樵谝阎募s束物理規(guī)則下，我們可以大幅減小實(shí)現(xiàn)聚變所需裝置的體積和成本，這是一個質(zhì)的飛躍。”

該團(tuán)隊(duì)的超導(dǎo)磁體也構(gòu)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(cè)都纏繞著螺旋形的超導(dǎo)帶，另一側(cè)則是氦氣冷卻通道。

核聚變是將輕原子結(jié)合形成更重原子的核反應(yīng)試驗(yàn)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(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。長期以來，人類追求的目標(biāo)是建造一座核聚變發(fā)電廠?？茖W(xué)家希望利用核聚變產(chǎn)生的能量來創(chuàng)造一種清潔能源，以取代化石燃料和危險(xiǎn)的核裂變操作。

需要指出的是，核聚變發(fā)電廠可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行過程中幾乎不排放溫室氣體，產(chǎn)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(fā)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(qiáng)大的磁場來約束燃料。若想產(chǎn)生如此強(qiáng)大的磁場需要超導(dǎo)磁體，但之前所有的核聚變磁體都是用超導(dǎo)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(shí)際工程方面有著顯著的優(yōu)勢。Dennis Whyte認(rèn)為，這種材料是對幾乎所有用于制造超導(dǎo)磁體的原理的重新設(shè)計(jì)。如果采用這種全新的高溫超導(dǎo)材料進(jìn)行制造超導(dǎo)磁體，不僅僅是在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，而是需要從頭開始創(chuàng)新和研發(fā)。

封面圖片來源：每日經(jīng)濟(jì)新聞 資料圖