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新开发高温超导磁铁为核融合发电铺路

2021-12-01 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
磁铁设计是创造核融合所需条件中最重要的挑战之一。MIT与CFS的研究人员指出,要打造并局限电浆以产生比所消耗更多的能源,利用该团队所开发的磁铁技术就可能实现。

美国新创公司Commonwealth Fusion Systems (CFS)和麻省理工学院(MIT)的电浆科学与融合中心(Plasma Science and Fusion Center)宣布,他们已成功测试一个高温超导磁铁。MIT研究人员和CFS指出,测试出的20-tesla磁场强度,是目前地球上所能产出的最强的磁场,这也为首座核融合发电厂的建设开辟了一条道路。hJ9ednc

磁铁设计是创造核融合所需条件中最重要的挑战之一。MIT与CFS的研究人员指出,要打造并局限电浆以产生比所消耗更多的能源,利用该团队所开发的磁铁技术就可能实现。hJ9ednc

“MIT和CFS独特的伙伴和合作关系,让我们能够敏捷且快速地设计、制造并测试这种磁铁;”MIT电浆科学与融合中心主任Dennis Whyte在一场记者会上表示:「我们能够利用每个组织的优点建立一个团队,在因为气候危机带来的时间压力下提供这项技术。”hJ9ednc

不可否认,核融合技术的门坎非常高。如果MIT的技术能获得证实,可望成为一种零排碳、无限的能源,也会是MIT一个名为“SPARC”的高磁场核融合能源实验项目很重要的里程碑。SPARC尝试实现至少2的融合增益(fusion gain)──又称为Q-因子(Q-factor),这意味着产生的核融合能量是用以维持融合反应所需能量的两倍。一套示范性装置预计于2025年完成。hJ9ednc

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MIT的高温超导磁铁研发项目。(图片来源:MIT)hJ9ednc

MIT Research副总裁Maria Zuper表示:“我们的目标基本上是建造一座像是小型高中体育场大小的发电厂,能产出和燃煤发电厂一样的发电量而且零碳排。将使用的燃料是氢,来自于水,因此我们将有取之不尽的供应来源。”hJ9ednc

磁场

核融合是太阳产生能量的过程。在一个核融合反应当中,两个轻核(light nuclei)合并成单一个较重的核子就会释出能量,这是因为所形成的单一核子总质量小于两个原始核子的质量,而剩余的质量就会变成能量。hJ9ednc

一个磁场可以将质子与电子或电浆的结合限制住,就像一个看不见的“斗篷”;该磁场对带电粒子有显著的控制作用。一种被称之为“托克玛克”(tokamak)的甜甜圈形状结构,是最常见的核融合反应炉磁局限设计。hJ9ednc

目前有超过150座托克玛克反应炉装置被打造出来且在运作中,每一套装置都是透过接近核融合点(fusion point)来展示其功能性,不过大多数装置都是利用铜电磁铁(copper electromagnets)来产生磁场,法国的国际热核融合实验反应炉(ITER)设计则是利用所谓的低温超导体技术。hJ9ednc

研究人员表示,MIT与CEF的核融合成果有一个关键的优势,就是透过使用高温超导体能产生相当强的磁场,并能让托克玛克装置的尺寸更小。该成果是透过利用一种新的超导材料来实现的,即一种在开氏温度20度(20 degrees Kelvin)下运作的稀土钡铜氧化物(rare-earth barium copper oxide,ReBCO)。hJ9ednc

带状(ribbon-shaped)的ReBCO在几年前才实现商业化应用,这种新高温超导磁铁的应用,得益于过去几十年以托克玛克实验取得的结果。hJ9ednc

磁铁设计

新磁铁的研发以及供应链、制程的发展需要花费三年的时间。研究人员指出,有大量的产品原型透过实体模型和CAD设计产出。hJ9ednc

该种新磁铁会经过一连串的步骤逐渐地充电,直到维持在20 tesla的磁场。研究人员表示,这是目前“透过高温超导融合磁铁所能达到的最大磁场强度,”为了创造一个强大的磁场,这种材料必须容纳于一个强大的金属结构中。hJ9ednc

新磁铁的规模和性能类似于MIT在2016年所完成的Alcator C-Mod核融合反应炉实验,该实验使用非超导体电磁铁。“两者在能源消耗上的差异相当显著;”Whyte表示:“因为Alcator C-Mod实验是用一个普通的铜导电磁铁,大约消耗200百万瓦(million watts )的能源,已产生局限的磁场。”hJ9ednc

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研究人员正准备高磁场超导装置。 (图片来源:MIT)hJ9ednc

而新磁铁的能源消耗仅约30瓦,Whyte说,这代表着局限磁场所需的能源总量已经少了100万倍。这样的转换意味着一个高磁场超导装置可望产生“净能量(net energy),因为我们不需要利用很多能源去产生局限磁场。”hJ9ednc

MIT核融合中心的测试也显示,依照一定比例建造的磁铁可望维持超过20 tesla的磁场,该SPARC托克玛克装置所需的性能指针,也将用以证实来自核融合的净能量。hJ9ednc

其测试是关于在有限的能源消耗下,让一个超导磁铁能达到足够的温度以创造磁场。该磁场的强度范围需要几天的时间爬升,直到足以维持到设计人员认可的一个稳定状态;此状态是透过能量消耗和温度之间的平衡来达成的。hJ9ednc

研究人员的下一步是以成功的磁铁测试为基础来建构SPARC核融合装置;尽管仍有艰巨的显技术和经济挑战有待克服,但研究人员相信,实现核融合能源的道路终将一片平坦。hJ9ednc

(原文发表于AspenCcre旗下EDN姐妹媒体EETimes,参考链接:MIT Magnet Enables Path to Commercial Fusion Power,责编:Judith Cheng)hJ9ednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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