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世界上最强的核聚变磁体为核追求带来新动力

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看航空 2021-09-14 18:15
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在核聚变领域,一些人正在追求清洁、取之不尽用之不竭的能源,比如那些建造世界最大的托卡马克反应堆ITER的人。与此同时,其他人正在研究更紧凑、更实惠的设计,试图将技术向前推进。麻省理工学院科学家的一项新突破表明,一些最大的进展可能就来自于这些规模较小的项目,该团队揭示了一种创纪录的超导磁体,是世界上同类产品中最强大的。

这种新型磁铁的开发是由麻省理工学院的科学家领导的,他们在2015年首次披露了一个实验性的聚变反应堆设计。该反应堆被称为ARC,是一个圆环形的托卡马克,与ITER 一样,它试图重现我们太阳内部的条件,看到氢原子在极端的热量和压力下融合在一起,释放大量的清洁能源。然而,ARC的大小约为ITER的一半,其半径为3.3米(10.8英尺)。

无论是ITER、ARC还是像德国Wendelstein 7-X仿星照那样曲折的聚变反应堆,其物理学和总体目标基本相同。氢同位素氘和氚被引入室中并过热以形成旋转的等离子体,然后需要将其悬空并防止其转向墙壁或任何固体。而要实现这一点,磁铁是关键。

无论是在Wendelstein 7-X中工作的错位磁线圈,还是在传统托卡马克中看到的整齐、重复的磁线圈序列,都是为了产生如此强烈的磁场,以便能够将等离子体固定在原地足够长的时间来发生聚变反应。但是在ARC工作的科学家们一直在追求一种具有关键差异点的磁铁技术。

在ITER依靠超导磁体来控制其等离子体的地方,这些是低温磁体,当冷却到约-269℃时就会变成超导。ARC的科学家们正在寻找使用他们所谓的高温超导体,它可以在更小的空间内获得更高的磁场。该团队一直在使用一种商业化的带子,这种带子装在线轴上,并展开成一条扁平的带子,在更高的温度下变得超导,产生更强的磁场。因为理论上这将更好地限制等离子体,因此反应堆可以更小,建造成本更低。

以这种带子为起点,麻省理工学院的科学家们与创业公司Commonwealth Fusion Systems(CFS)一起,在过去三年里试图将它变成一个高功率的磁铁,用于一个名为SPARC的示范装置,这是ARC的一个测试平台,将是其一半大小。该团队的最终产品是一块磁铁,它使用267千米(166英里)的超导带形成16块板,这些板在一个D形的箱子里堆叠在一起。这个磁铁被冷却到大约-253.15℃,在这一点上它成为超导,并产生一个强大的磁场。

“我们建造了一个独一无二的超导磁铁,”CFS的运营主管Joy Dunn说。“这需要大量的工作来创建独特的制造工艺和设备。因此,我们现在已经为SPARC的生产做好了充分准备。我们从一个物理模型和一个CAD设计开始,通过大量的开发和原型工作,把纸上的设计变成了这个实际的物理磁铁。”

在测试中,该团队逐步提高了超导磁体的强度,直到它产生了一个强度为20特斯拉的破纪录的磁场,使其成为有史以来聚变磁体实现的最强大的磁场。

在已经发表了一连串证明SPARC可行性的物理学论文之后,该团队将其新的磁体视为拼图中的缺失部分,称该磁体使其有可能实现相当于在使用低温超导磁体的40倍大小的反应堆中看到的磁场。

麻省理工学院的Martin Greenwald说:“我们所填补的空白是使用传统的等离子体物理学和传统的托卡马克设计和工程,但将这种新的磁铁技术带到它上面。因此,我们并不要求在不同的领域进行创新。我们将只是在磁体上进行创新,然后应用过去几十年来所学到的知识基础。”

目前,还没有任何核聚变反应堆证明有能力产生比其运行所需更多的能量,而实现这种"收支平衡"将是一个历史性时刻。凭借他们强大的新磁铁,科学家们相信他们已经向这个目标迈出了重要一步。

麻省理工学院负责研究的副校长Maria Zuber说:“我现在真正感到乐观的是,基于磁铁所展示的性能,SPARC可以实现净正能量。下一步是扩大规模,建立一个实际的发电厂。前面仍有许多挑战,其中最重要的是开发一种允许可靠、持续运行的设计。而且意识到这里的目标是商业化,另一个主要挑战将是经济问题。你如何设计这些发电厂,使其在建造和部署时具有成本效益?”

SPARC预计将于2025年完成。

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