![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](http://scholarsupdate.hi2net.com/picture/2024/0307/8/1.jpg)
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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。