用户名:  密码:   
网站首页即时通讯活动公告最新消息科技前沿学人动向两岸三地人在海外历届活动关于我们联系我们申请加入
栏目导航 — 美国华裔教授专家网科技动向科技前沿
关键字  范围   
 
麻省理工核聚变突破!或发生30年来核聚变研究中最重要的事情
作者:徐德文 | 2024/3/6 11:09:03 | 浏览:810 | 评论:0

麻省理工核聚变突破!或发生30年来核聚变研究中最重要的事情

核聚变发电可能已做好准备了,今天麻省理工一口气发表了6篇论文,中心思想就一个,他们用高温超导带制成的新型磁体,可以把托卡马克装置的体积和成本压缩40倍,也就是说只有国际热核聚变装置(ITER)的1/40,并且已经经过了最极端的测试,这可能是“过去30年来核聚变研究中最重要的事情”!

而这一突破早在2021年就实现了,这意味着什么呢?他们据此设计建造的托卡马克装置Sparc,当初预计在2025年开始运行,这一计划明年极有可能如期成为现实,人造太阳离我们可能真的越来越近了。

人造太阳究竟可不可行,托卡马克是全地球村的希望,这一上世纪末就已研究透彻的技术,带来一个非常明确的共识,那就是足够强大的磁场将足够热、足够密的等离子体稳定维持足够的时间,计算的结果就是在当时的技术条件下,非得建造一个非常巨大、极其烧钱,让一个国家财政预算顿足捶胸的玩意儿,才有可能实现输出能量大于输入能量的核聚变融合。

麻省理工核聚变突破!或发生30年来核聚变研究中最重要的事情

面对天文数字般的投入和可能失败的巨大风险,显然没有一个国家愿意独自跳进这个坑,所以就像当初建造国际空间站一样,全球主要国家再次达成了合作共识,大家共同凑份子,在法国建造一个直径12米,主要设备就重达23000吨的国际热核聚变装置(ITER),以验证核聚变发电最终是否可行。

之后聪明的美国人率先拆除了托卡马克装置,开始搞激光点火聚变,日本和欧洲则选择升级托卡马克,继续为ITER提供技术支持,前不久欧洲的JET也终于宣布结束运行。新加入的中国、韩国,则开始建造更先进的托卡马克装置,加大学习和培养人才的力度,一旦ITER实验成功,就可以迅速开发商业化核聚变电站。

美国对ITER可能没抱什么希望,曾经一度退出,后来又重新加入,加拿大则干脆直接退出了。但美国并没有放弃托卡马克,民营资本开始研发各种托卡马克变体装置,目前已投入数十亿美元,多个项目可能已处于突破的边缘,最早的已宣称要在2028年核聚变发电。

麻省理工核聚变突破!或发生30年来核聚变研究中最重要的事情

麻省理工学院等离子体科学与聚变中心(PSFC)没有等ITER,也没有依葫芦画瓢,他们选择把托卡马克装置缩小,成本降低,打造一个可以轻松负担的验证装置。而要把设备缩小,办法只有一个,那就是更强大的磁场,因为等离子体的约束时间随直径的平方变化,而功率密度随磁场的4次方变化,这意味着磁场强度翻一番,聚变功率将达到16倍。ITER选择增加尺寸,麻省理工选择增强磁场。

而麻省理工还有一个更大胆的想法,就是把磁体中的绝缘材料全部去掉!你可能会觉得这完全是疯了,在传统的超导磁体设计中,超导带或线圈之间通常需要绝缘材料,以防止电流短路发热,导致磁体功能失效或损坏。

麻省理工核聚变突破!或发生30年来核聚变研究中最重要的事情

麻省理工的天才想法是,发热是电阻产生的,而超导状态下材料是零电阻,这意味着电流可以在没有能量损失的情况下流动,导电性超强的超导带即使相互接触,也不会因为电阻而产生热量和能量损耗,那还要绝缘材料干什么呢?

而把绝缘材料去掉,让超导带“裸奔”,好处绝对是革命性的。

一是可以简化制造过程,节约成本和时间;

二是超导带更紧密的排列,可以提高磁场强度和均匀性;

三是可以让冷却剂直接接触超导带,提高冷却效果;

四是潜在的过热会更加均匀地分布在整个磁体中,有助于防止局部损伤,增强磁体的整体稳定性和安全性。

麻省理工核聚变突破!或发生30年来核聚变研究中最重要的事情

另一个关键就是氧化钇钡铜(YBCO)胶带,这是一种革命性的高温超导材料,可以在液氮温度(-196℃)下工作,并且可以承载很大的电流,从而在更小的空间里产生更强的磁场。麻省理工从2018年开始,就将全球大部分4毫米高温超导胶带都买了下来,长达300公里,最后绕成了16个线圈,制造了一个可以环绕托卡马克装置的环形磁场。

然而想法再大胆,能不能成还是要实践出真知。2021年9月5日,麻省理工PSFC的实验室里一片欢腾,因为科学家们实现了一个重要的里程碑,这种高温超导材料制成的新型磁体,创造了大型磁铁磁场强度新的世界纪录:令人瞠目结舌的20 特斯拉,而且非常地稳定均匀。这个强度是地球磁场的40万倍,可以直接将一艘航空母舰抬出水面!

在接下来的几个月内,研究人员拆解了磁体的每一个组件,仔细审视数百个仪器记录的数据,并进行了两次极限测试,以检验他们最大胆的想法——去掉绝缘材料,让高温超导带“全裸”运行是不是完全可行。

麻省理工核聚变突破!或发生30年来核聚变研究中最重要的事情

研究人员故意制造极端条件,突然切断全部电源,这时候由于超导体的零电阻特性,磁体内部仍然可以维持一个持续的强大电流。但如果部分磁体因为外部条件变化而过热或受到机械应力,就可能超越临界温度或临界磁场,导致超导性丧失成为正常阻性状态,从而开始产生热量。这时候磁体内部电流仍在流动并且很大,很容易导致局部温度升高,如果无法有效散热,就可能发生灾难性的过热,进而导致磁体结构的损坏,这种现象被称为淬火。

最终在16个磁体中,只有一个磁铁有一个角发生了熔化,科学家们据此重新进行了设计,从而可以保证在最极端的情况下,磁体也不会再受到损伤,这意味着他们异想天开,大胆去除绝缘材料,让超导带“裸奔”的设计,不仅理论上可行,实际上也是完全行得通的。PSFC前主任,美国工程教授丹尼斯·怀特称,这是“过去 30 年聚变研究中最重要的事情”。

这两项革命性的技术创新和突破,意味着麻省理工正在建造的Sparc托卡马克装置,将有可能在体积和成本都只有国际热核聚变装置1/40的情况下,也就是直径只有3.7米的情况下,将2亿K的高温等离子体维持10秒钟,实现140MW的聚变功率输出,达成Q值2-11的既定目标。这个Q值差不多就是ITER的目标,只是ITER的输出是500MW,维持时间400秒。

麻省理工核聚变突破!或发生30年来核聚变研究中最重要的事情麻省理工核聚变突破!或发生30年来核聚变研究中最重要的事情

但Sparc还只是演示机,麻省理工最终的目标是打造一台直径6.6米的ARC聚变反应堆,这个尺寸只有ITER一半,但Q值会达到13.6,输出270MW聚变能。最重要的是,它的成本可能只是ITER的一小部分,随着绝缘材料的取消,装置还可以做得更紧凑,性能更强,这意味着成本还可能进一步降低。目前这个项目已获得超过20亿美元的私人资本投资,包括意大利埃尼集团、比尔盖茨的突破能源、淡马锡控股等。

不得不说,麻省理工团队太大胆了,竟然想出了可能很多人想都不敢想的让超导带“裸奔”的设计,这不仅是思维上的一次突破,更带来了技术上的巨大飞跃和核聚变的重大进步。其实不光麻省理工,一些处于核聚变突破边缘的团队,他们的想法和设计也是令人惊叹,啧啧称奇的。比如2028年要向微软提供核聚变电的Helion,他们是把磁性约束和惯性约束结合起来,通过等离子体磁场直接发电,连锅炉烧水的环节都省了。

麻省理工核聚变突破!或发生30年来核聚变研究中最重要的事情

这项研究的6篇论文,以同行评论的形式发表在《IEEE应用超导汇刊》3月号的特刊上,包括磁体设计和制造、性能评估及检测、经验教训等,有兴趣的朋友可以去看看。



相关栏目:『科技前沿
如何绘制Nature漂亮的机制示意图? 2024-06-29 [174]
加州大学颠覆性大模型架构,FPGA重回AI舞台? 2024-06-29 [209]
OpenAI前首席科学家Ilya创立新公司,瞄准超越AGI的“超级人工智能”和绝对的AI安全 2024-06-21 [306]
2024年最新影响因子(完整版)已更新!2024年最新影响因子(完整版)已更新! 2024-06-21 [397]
苹果AI一夜颠覆所有!Siri史诗级进化,内挂ChatGPT-4o,奥特曼来了,马斯克怒了 2024-06-13 [508]
Transformer结合U-Net登上Nature子刊!最新成果让精度和效率都很美丽 2024-06-13 [514]
大撕裂理论:220亿年后宇宙终结,地球将在宇宙终结前几分钟毁灭 2024-06-08 [664]
我们看见暗物质了吗? 2024-06-07 [602]
如果不流浪地球,能直接住在流浪行星上吗? 2024-06-07 [587]
宇宙大爆炸并不存在?量子模型预测宇宙无始无终 2024-06-04 [722]
相关栏目更多文章
最新图文:
:日本政府《氢能利用进度表》 :美国《2016-2045年新兴科技趋势报告》 :天津工业大学“经纬英才”引进计划 :浙江财经大学国际青年学者论坛的邀请函 (10/31-11/1) :美国加大审查范围 北大多名美国留学生遭联邦调查局质询 :天安门广场喜迎“十一”花团锦簇的美丽景象 马亮:做院长就能够发更多论文?论文发表是不是一场“权力的游戏”? :印裔人才在美碾压华裔:我们可以从印度教育中学到什么?
更多最新图文
更多《即时通讯》>>
 
打印本文章
 
您的名字:
电子邮件:
留言内容:
注意: 留言内容不要超过4000字,否则会被截断。
未 审 核:  是
  
关于我们联系我们申请加入后台管理设为主页加入收藏
美国华裔教授专家网版权所有,谢绝拷贝。如欲选登或发表,请与美国华裔教授专家网联系。
Copyright © 2024 ScholarsUpdate.com. All Rights Reserved.