MIT团队证明高温超导体可用于核聚变,将核聚变装置成本压缩数十倍 高温超导磁场核聚变 超导核聚变
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2024-03-11 13:24:04
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近日,MIT 团队在 IEEE Transactions on Applied Superconductivity 齐发6篇论文,宣布通过他们所研发的新型高温超导磁体,能够将可控核聚变装置托卡马克 的体积和成 本压缩40倍,并成功通 过了科学上严格的测试和论证。

前 MIT 等离子体科学与聚变中心主 任丹尼斯·G·怀特 () 教授对媒体表示:“在我看来,HTS 的成功测试是过去30年聚变研究中最重要的事情。”

尺寸和成本是核聚变装置能否在现实中应用的关键问题。超导磁体通常体积巨大,以容纳大量的超导线圈和冷却设备。通过缩小体积,可以大幅减少超导磁体占用的空间,使其适用于更多的应用场景。

另一方面,不可忽视的是,超导磁体的制造和运行成本通常很高。通过缩小体积,可以减少材料的用量和冷却系统的数量,从而降低成本。


图丨在 MIT 等离子体科学与聚变中心,新型磁体实现了20特斯拉的磁场强度(来源:MIT)

实际上,在地球上实现核聚变是一项艰巨的挑战,不仅需要解决一系列科学难题,还需要多达数十亿美元的投入。一直以来,人们都在寻找理想的、可提供无限清洁能源的核聚变发电。

通过核聚变发电,产生的能量比所消耗的能量多,不仅在整个发电过程中不排放任何温室气体和其他污染物,而且从海水中提取氘和氚作为核聚变的燃料还有资源丰富的优势。

近年来,一种名为稀土氧化铜钡(Rare Earth Barium Copper Oxide,REBCO)的新型高温超导磁体(high-temperature superconducting,HTS)被添加到核聚变磁体中。

与上一代超导体截然不同的是,这种新型 HTS 不仅要解决现有磁体设计中的替代问题。“相反,这是对用于构建超导磁体的几乎所有原理的彻底改造。”对媒体表示。

在本次发布的新论文中,研究人员对该材料申请专利后重新设计的细节过程进行了描述。此外,其中还有一项引起高度关注的创新——他们通过简化制备流程,去除了超导带周围的绝缘层。

在日常生活中,为防止电线之间发生短路,少不了绝缘层的保护。此前的超导磁体也和电线相同,都在其中添加了绝缘材料。

但在新的磁铁中,在没有绝缘层保护的情况下,工程师们以高于 REBCO 的导电率保持电流经过材料。当然,这也引起了领域内的专业人员对这项创新的质疑。

“制造这些磁铁的标准方法是缠绕导体,并且需要绝缘层来处理非正常事件(例如停机)期间产生的高电压。”MIT 扎卡里·哈特维格()教授对媒体表示。


图丨大口径、全尺寸高温超导磁体(来源:MIT)

实际上,早在2021年9月,MIT 的工程师与美国核聚变能源初创公司 Commonwealth Fusion Systems(简称 )合作,已制备出这种新型 HTS,并达到建造核聚变发电厂所需的20特斯拉的磁场强度,这刷新了同类磁体的最高记录。

并且,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”(详情查阅 DeepTech 报道:)。

MIT 团队与 公司基于 HTS 开发紧凑 型聚变装 置 SPARC。SPARC 的大小与中型聚变装置类似,但磁场更强。

SPARC 设计1.85m 的长半径和0.57m 的短半径,在12.2T 的环形场和8.7MA 的等离子体电流下运行,能够产生50-100MW 的聚变功率。


图丨SPARC 效果图(来源:SPARC)

此后,工程师们拆解并检查了 HTS 的组件,深入研究了数百台仪器的详细测试数据。与此同时,他们还对同一磁体进行了两次额外的测试,以了解设备的最佳状态和确定解决故障的相关模式。

具体来说,他们故意制造不稳定的条件让设备面临极限环境,例如完全切断输入电源,导致灾难性的过热,这被称为淬火。这种情况被认定为此类磁铁运行的时可能遇到的最坏情况,极有可能会造成设备损坏。

在接受媒体采访时说:“测试的任务实际上是启动并有意淬灭全尺寸磁体,以便我们能够在正确的尺度和正确的条件下获得关键数据,经过验证设计代码,以推进实验进展。”

这样,研究人员能够全面掌握该过程中会遇到的问题、发现出错的原因,并找到解决问题的迭代方法。

总体来说,MIT 的研究人员在6篇论文中,详细报道了设计、制造磁体和测评磁体性能所需的诊断设备,并总结了在研究过程中的相关经验。他们验证了预测和计算机建模,并证明基于 HTS 的特性能够作为核聚变发电的基础。

参考资料:

https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=10348035&punumber=77

https://news.mit.edu/2024/tests-show-high-temperature-superconducting-magnets-fusion-ready-0304

https://scitechdaily.com/mits-fusion-breakthrough-unlocking-star-power-with-superconducting-magnets/

https://news.mit.edu/2021/MIT-CFS-major-advance-toward-fusion-energy-0908

https://www.psfc.mit.edu/sparc

https://www.psfc.mit.edu/research/topics/high-field-pathway-fusion-power

支持:邹名之

运营/排版:何晨龙

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