Commonwealth Fusion Systems (CFS) 和麻省理工學(xué)院的等離子體科學(xué)與聚變中心 (PSFC) 披露了對磁場強度為 20 特斯拉的高溫超導(dǎo) (HTS) 磁體的成功測試。麻省理工學(xué)院的研究人員和初創(chuàng)公司 Commonwealth Fusion Systems (CFS) 在一次會議上表示，這是地球上產(chǎn)生的同類磁場中最強的磁場，為建造第一座聚變發(fā)電廠開辟了道路。

創(chuàng)造融合所需條件的最重大挑戰(zhàn)之一是磁鐵。使用 MIT-CFS 合作開發(fā)的磁體技術(shù)來構(gòu)建和限制產(chǎn)生比消耗更多能量的等離子體是可行的。

“麻省理工學(xué)院和 CFS 之間這種獨特的伙伴關(guān)系和合作使我們能夠靈活快速地設(shè)計、構(gòu)建和測試這種磁鐵，我們能夠利用每個組織的優(yōu)勢并在此基礎(chǔ)上建立一個團(tuán)隊，將這項技術(shù)應(yīng)用于氣候危機(jī)要求的快速時間表，”麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心主任丹尼斯懷特在新聞發(fā)布會上說。

不可否認(rèn)，聚變的障礙是技術(shù)和科學(xué)，但如果得到證明，這項技術(shù)可能會成為一種無碳、無限的能源，可以在全球傳播。MIT-CFS 團(tuán)隊的演示是向回答有關(guān) SPARC 項目可行性的最緊迫問題邁出的重要一步。SPARC 旨在獲得至少為 2 的 Q 因子，這意味著產(chǎn)生的聚變能量是維持反應(yīng)“泵入”的能量數(shù)量的兩倍。演示設(shè)備 SPARC 計劃于 2025 年完成。

“所以，這里的目標(biāo)基本上是一個小型高中體育館大小的發(fā)電廠，它產(chǎn)生的電力與零碳的燃煤電廠一樣多。燃料是氫，它來自水，我們有取之不盡的供應(yīng)。所以它是零碳，它是取之不盡的廉價燃料供應(yīng)，它產(chǎn)生的電力與燃煤發(fā)電廠的發(fā)電量一樣多，”麻省理工學(xué)院研究部副總裁 Maria Zuper 在新聞發(fā)布會上說。 ?

聚變能

聚變是為太陽提供動力的過程，從兩個小原子形成一個更大的原子，釋放出大量需要高溫的能量。要在地球上捕獲太陽的能量來源，您需要一種方法來獲取它，通過將非常熱的東西（例如 100,000,000 度或更高）絕緣，并防止它與任何固體接觸并冷卻下來。

磁場保留了質(zhì)子和電子（等離子體）的集合，從而形成了一種看不見的斗篷。磁場對帶電荷的粒子施加顯著的控制。被稱為托卡馬克的甜甜圈形結(jié)構(gòu)是最流行的容納它們的設(shè)計。世界各地已經(jīng)創(chuàng)建并成功運行了 150 多個托卡馬克，每個都通過接近融合點來展示其功能。研究人員指出，雖然這些設(shè)備中的大多數(shù)使用銅電磁鐵來產(chǎn)生磁場，但在法國開發(fā)的最新和最大版本的 ITER 使用所謂的低溫超導(dǎo)體。

據(jù)研究人員稱，MIT-CFS 核聚變工作的主要創(chuàng)新之處在于使用了高溫超導(dǎo)體，它可以產(chǎn)生相當(dāng)強的磁場，從而產(chǎn)生更小的托卡馬克。這個概念是由一種扁平帶狀的新型超導(dǎo)材料（稀土鋇銅氧化物，也稱為 ReBCO）實現(xiàn)的，這種材料在幾年前開始商業(yè)化。使用新型高溫超導(dǎo)磁體可以應(yīng)用從托卡馬克實驗操作中獲得的數(shù)十年的實驗知識。?

圖 1：磁鐵項目（來源：麻省理工學(xué)院）

磁鐵項目

據(jù)研究人員稱，開發(fā)這種磁鐵需要經(jīng)過三年嚴(yán)格的設(shè)計、供應(yīng)鏈開發(fā)和生產(chǎn)工藝開發(fā)。他們使用物理模型和 CAD 設(shè)計完成了許多開發(fā)和原型設(shè)計。

據(jù)研究人員稱，這種新磁鐵通過一系列步驟逐漸充電，直到達(dá)到 20 特斯拉的磁場，這是“高溫超導(dǎo)聚變磁鐵所能達(dá)到的最大磁場強度”。磁鐵由 16 塊板組成，這些板相互疊放。研究人員還提到，為了產(chǎn)生強磁場，材料必須包含在堅固的金屬結(jié)構(gòu)中以保持力。

“所以，把它放在上下文中，這種磁鐵的規(guī)模和性能類似于麻省理工學(xué)院實驗中使用的非超導(dǎo)體磁鐵，Alcator C-Mod，這是五年前結(jié)束的。耗電量上的差異相當(dāng)驚人：因為是普通的銅質(zhì)導(dǎo)電磁鐵，所以產(chǎn)生圍壓磁場需要消耗大約2億瓦的能量。這個新磁鐵大約有30瓦。因此，提供限制磁場所需的能量減少了大約 1000 萬倍。這很明顯，為什么現(xiàn)在使用高場超導(dǎo)設(shè)備會產(chǎn)生來自聚變的凈能量——我們不必使用如此多的能量來提供限制磁場，”丹尼斯·懷特說。

圖 2：研究人員在實驗期間工作（來源：麻省理工學(xué)院）

在麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心進(jìn)行的關(guān)鍵測試表明，按比例構(gòu)建的磁鐵可以維持超過 20 特斯拉的磁場，這是 CFS 的小型托卡馬克裝置（稱為 SPARC）所需要的。展示來自聚變的凈能量。

該測試主要涉及將磁鐵置于超導(dǎo)溫度，并且可以在不消耗大量能量的情況下產(chǎn)生磁場。就其產(chǎn)生的場強大小而言，其性能足以構(gòu)建 SPARC 并展示所有關(guān)鍵指標(biāo)：磁鐵在 20 特斯拉下保持足夠長的時間將磁鐵置于本質(zhì)上是穩(wěn)定狀態(tài)，正如研究人員所定義的那樣，這意味著，從磁鐵的角度來看，就注入磁鐵的電流和溫度而言，它是完全平衡的。 ?

麻省理工學(xué)院的研究人員強調(diào)，下一步將是在磁鐵運行成功的基礎(chǔ)上構(gòu)建 SPARC。顯然，仍然存在許多挑戰(zhàn)（尤其是經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)），但道路似乎在走下坡路。??

審核編輯 黃昊宇