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美国CFS:人类最终梦想之一 让核聚变发电成为未来清洁能源即将实现
2021/9/9 13:30:33 | 浏览:261 | 评论:0
利用可控核聚变发电是人类一直以来的梦想,现在,它没那么遥远了。

核聚变能具有资源丰富、无碳排放和清洁安全等突出优点,是人类未来理想的清洁能源之一。如果可控核聚变发电技术得以实现,人类的能源焦虑将得到极大缓解,对太空的探索也将更加深入。

美国CFS:人类最终梦想之一  让核聚变发电成为未来清洁能源即将实现

科幻小说《三体》中对于可控核聚变实现之后的描述。

最近,一个新超导磁体的出现,让人类在核聚变发电之路上又前进了一步。

在 9 月 8 号的一个在线新闻发布会上,美国新能源初创公司 Commonwealth Fusion Systems(简称 CFS)公布了一个长 2 米、宽 1 米的 D 型电磁体,并表示它产生的磁场大约是地球自然磁场的 50 万倍,是任何类似超导磁体强度的两倍。基于此,他们有望在 2025 年之前建成一个相对较小的聚变发电站原型,尽管还有很多其他挑战需要克服。

美国CFS:人类最终梦想之一  让核聚变发电成为未来清洁能源即将实现

CFS 成立于 2017 年,衍生于美国麻省理工学院,致力于开发由特殊高温超导材料制成的磁体,这种磁体可以产生两倍于传统超导磁体强度的磁场。

新磁体测试的成功,标志着该公司取得阶段性胜利。等离子体物理学家、CFS 的联合创始人兼首席执行官 Bob Mumgaard 表示:「我们 3 年前甚至不知道是否存在这样一个磁体,但现在我们已经拥有了它」。

聚变反应堆(托卡马克)旨在捕获氘和氚的原子核聚变产生氦和高能中子时释放的能量。为了做到这一点,托卡马克依靠强磁场将超热电离气体或等离子体困住并挤压在一个甜甜圈形状的真空室中。然而,研究人员还没有建成一个产能大于耗能的托卡马克,而且他们一直认为这样的反应堆需要很大才能达到产能 - 耗能平衡。例如,多国联合在法国建造的国际热核聚变实验反应堆(ITER)就有一个高 11 米、宽 19 米的真空室,它的目标就是让产能大于耗能。

CFS 的研究人员表示,他们的新磁体可以大大缩小托卡马克的尺寸,因此更便宜、更容易建造。

在构建这种磁体时,CFS 的研究人员采用的是由高温超导体稀土氧化钡铜(barium copper oxides)组成的线圈,而不是像铌锡(niobium tin)这样的普通超导金属。当超导体冷却到接近绝对零度时,只要电流和磁场不太大,它就可以无电阻地传输电流。高温超导体之所以被称为高温超导体,是因为它们在相对温和的温度下进行超导,一些温度高于液氮(77 开尔文以上)的超导体可以比传统超导体承受更高的磁场。

研究磁体的 MIT 等离子体物理学家兼工程师 Brian LaBombard 表示,主要的挑战是设计一种磁体,使其能承受磁场本身对载流线圈产生的巨大机械应力,你也可以把它想象成给气球加压。普通超导体可以做成坚固的电线,然后绕成一个线圈,但高温超导体采用的是相对脆弱的磁带(tape)。因此,为了开发新磁体,CFS 的研究人员提出了一种设计,将薄层磁带夹在更坚固的金属层之间。LaBombard 表示:「你需要尽可能多地使用金属,而我们的设计正在将其推向极限。」

在最近的测试中,新磁体产生了大约 20 特的磁场,持续 5 小时,并且 CFS 研究人员表示他们可以无限期地维持磁场。有了新磁体,该公司表示他们正准备为下一个目标努力:开发一种名为 SPARC 的原型反应堆,就像 ITER 一样,旨在证明托卡马克产生的能量大于消耗的能量。在 SPARC 中,研究人员将使用 18 个线圈环绕环形真空室,就像这个 20 特的原型一样。

美国CFS:人类最终梦想之一  让核聚变发电成为未来清洁能源即将实现

然而,一个磁体本身并不能构成托卡马克。去年,美国国家科学院、工程院和医学院的一份报告发现:为了在 2040 年使原型聚变发电站成为现实,该领域要克服的技术挑战仍然非常多。其中需要有能够承受来自等离子体的热量和中子轰击的材料,以及要找到从真空室排出热氦气的更好方案。

Mumgaard 也赞成这些问题必须解决,但他同时也认为:在强磁场下的紧凑型托卡马克中,这些问题解决起来都将更加容易。

MIT 的等离子体物理学家兼工程师 Dennis Whyte 表示:「新磁体可能标志着所有聚变开发人员对未来反应堆的设想发生了翻天覆地的变化。」

「瓶子」里的太阳

聚变是为太阳提供能量的过程,即两个小原子合并成一个大原子,并且释放出巨大的能量。但这一过程所需要的温度远远超过任何固体材料所能承受的温度。要想在地球上捕获太阳的能量源,我们需要的是一种捕获和容纳高温物质的方法,这个温度高达 100,000,000 以上,方法是让物质悬浮起来,避免接触任何固体。

这是通过强磁场来实现的。磁场就像一个无形的瓶子,里面装着炽热的旋转质子和电子汤,即等离子体。由于这些粒子带有电荷,容易受到磁场的强烈控制,可以使用托卡马克装置容纳它们。这些设备中的大多数都是使用铜制成的传统电磁体产生磁场,但法国正在建设的 ITER 使用的是低温超导体。

MIT-CFS 聚变设计的主要创新是使用了高温超导体,这使得在更小的空间中可以产生更强的磁场。几年前,一种新型超导材料上市,使这种设计成为可能。这个想法最初来自 Whyte 教授核工程课程中一个课堂项目。该想法似乎很有希望,在接下来的几次迭代中继续发展。2015 年初,研究者提出了 ARC 发电站的设计概念。SPARC 的设计尺寸约为 ARC 的一半,是一个试验台,用于在建造全尺寸发电站之前证明这一概念。

到目前为止,要想获得强大的磁场,创造一个能够容纳加热到数亿度的等离子体的磁「瓶」,唯一的方法就是把它们变得越来越大。但新型高温超导材料以扁平、带状的形式制成,使得在较小的设备中获得更强大的磁场成为可能,与使用传统低温超导磁体的体积大 40 倍的设备的性能相当。这种功率与尺寸之间的飞跃是 ARC 革命性设计的关键因素。

新的高温超导磁体的使用,使得从托卡马克实验操作中获得的几十年的实验知识得以应用,此外还有益于 MIT 的 Alcator 项目。Alcator 是 MIT 首席研究员 Zach Hartwig、核科学与工程职业发展助理教授 Robert N. Noyce 领导的一项新研究,采用了一种著名的设计,由于磁场变强,他们可将所有部件的尺寸缩小到线性尺寸的一半左右,并且仍能达到相同的操作条件。

美国CFS:人类最终梦想之一  让核聚变发电成为未来清洁能源即将实现

去年研究者发表的一系列科学论文证实了这个新聚变装置的可行性。论文表明,如果磁体按预期工作,整个聚变系统确实会产生净功率输出,这是几十年来聚变研究的第一次。

PSFC 的副主任和高级研究科学家 Martin Greenwald 表示:「和其他聚变实验设计不同,我们的研究定位是使用传统的等离子物理学、传统的托卡马克设计和工程,但将新的磁体技术引入进来。因此,我们不需要在多个不同的领域进行创新,而是专注于磁体,然后应用过去几十年学到的知识。」

「这是一个重要时刻,由于对这些机器进行了数十年的研究,我们现在拥有一个在科学上非常先进的平台,而且在商业上也非常有趣。它的作用是让我们能够更快地构建更小的核聚变装置,同时降低成本。」CFS 的首席执行官 Bob Mumgaard 说道。

概念证明

将这种新的磁体概念变为现实,是一个超大规模的工程,需要三年时间,进行密集设计、建立供应链和制造磁体,这些磁体最终可能需要由数千人生产。

CFS 运营主管 Joy Dunn 说:「我们制造了首创的超导磁体。创造独特的制造工艺和设备需要大量的工作。现在,我们已经做好了加速 SPARC 创建进程的准备。我们从一个物理模型和一个 CAD 设计开始,经过大量的开发和原型设计,将纸上的设计变成了真正的物理磁体。」这需要具备强大的制造能力和测试设施,其中涉及与多个超导带材供应商共同推进的迭代过程,以帮助他们提高生产符合规格的材料的能力。

他们同时使用了两种可能的磁体设计,最终都满足了设计要求。Dunn 说:「最终两种设计要比较的是哪一种会彻底改变制造超导磁体的方式,哪一种更容易制造。」他们采用的设计在这方面非常突出。

在本次测试中,新磁体通过一系列步骤逐渐通电,直到达到 20 特磁场的目标 —— 这是高温超导聚变磁体有史以来的最高场强。这块磁体由 16 块板叠在一起组成,每块板本身就是世界上最强大的高温超导磁体。

Mumgaard 说:「三年前,我们宣布了一项计划,建造一个 20 特的磁体,这是未来聚变机器所需要的。」该目标现已按计划实现。

下一步将是建造 SPARC,这是计划中的 ARC 发电站的小规模版本。SPARC 的成功运行将证明一个全面的商业核聚变发电站是可行的,将为快速设计和建造开创性装置铺平道路。

MIT 研究院副院长 Maria Zuber 说:「从新磁体的表现来看,SPARC 可以产生净正能量,这让我非常高兴。我们下一步要做的是扩大规模,建造一座真正的发电站。前方仍有许多挑战,其中最重要的是开发一种允许可靠、持续运行的设计。另外基于商业化的目标,还有一个主要的挑战将是经济,即成本效益。」

美国CFS:人类最终梦想之一  让核聚变发电成为未来清洁能源即将实现

MIT 研究院副院长 Maria Zuber

让核聚变发电成为未来清洁能源的核心是人们一直努力的目标,因此成功创建发电聚变装置将是一项巨大的科学成就。正如 Zuber 所说:「在这条路上,我们没有想过赢得任何奖励,我们只是在努力保持这个星球的宜居。」


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