无限清洁能源的未来将至？MIT超导磁体产生创纪录磁场强度成本低至140核聚变商用成为可能

  近日，美国麻省理工学院（简称MIT）等离子体科学与核聚变中心以及英联邦聚变系统公司（简称CFS）的研究团队发布论文称，

  20特斯拉的强度正是建造核聚变发电厂所需的磁场强度，有望产生净输出功率，并有可能开创一个几乎无限发电的时代。

  更值得期待的是，据刚卸任MIT等离子体科学与聚变中心主任的Dennis Whyte透露，“MIT团队将聚变反应堆的每瓦特成本几乎降低到了1/40，让核聚变技术在商用成为了可能。这是过去30年来核聚变研究中最重要的事情。”

  这预示着核聚变有望很快从一个实验室中的科学研究项目，成为可以商业化的技术，可以为全球提供无限的清洁能源。

  当地时间3月6日，美国麻省理工学院（简称MIT）等离子体科学与核聚变中心以及英联邦聚变系统公司（简称CFS）的研究人员撰写了一份详细的报告，介绍了团队大约3年前实现的一个重大突破。

  2021年9月5日，MIT等离子体科学与核聚变中心的研究人员发现，一种由高温超导材料制成的新型磁体实现了20特斯拉的磁场强度，创下世界纪录。

  《每日经济新闻》记者发现，20特斯拉的强度正是建造核聚变发电厂所需的磁场强度，有望产生净输出功率，并有可能开创一个几乎无限发电的时代。

  这种磁体所用的材料名为REBCO（Rare Earth Barium Copper Oxide，稀土钡铜氧化物），可以在20开尔文的温度下工作，无需在导体绕组之间进行复杂的绝缘处理。与其他基于超导体的磁体相比，REBCO磁体所需的在允许电压下不导电的材料更少，而且，REBCO磁体是的，因此具有更强的导电性。这不但可以简化材料的制作的完整过程，还可以让超导带实现更为紧密的排列，提高磁场强度和密度，更可以让冷却装置非间接接触超导带，提高冷却效率。

  MIT团队随后宣布了试验的成功，称达到了设计新型核聚变装置（被称为SPARC）的所有标准。

  但试验的成功，并不是研究的终点。在随后的几个月里，团队拆解并检查了磁体的各个部件，仔细研究并分析了数百台记录测试细节的仪器所提供的数据。他们还在同一块磁铁上进行了两次测试，通过故意制造不稳定条件（包括完全关闭冷却装置电源等），将设备的运转条件推向了极限，以验证超导磁体是否能在各种极限场景下稳定工作。

  结果发现，在人为制造的不稳定条件下，磁体线圈的受损部分只占线圈总体积的百分之几。这与REBCO对绝缘材料的更低需求和的特性有关潜在的过热会更加均匀地分布在整个磁体，有助于防止局部损伤，增强磁体的整体稳定性和安全性。根据这个结果，研究人员对整体设计进行了修改，预计即使在最极端的条件下，也能防止实际核聚变装置的磁体出现这样一种规模的损坏。

  值得一提的是，基于这一重大发现，该团队的实用型聚变反应堆（Practical Fusion Reactors）还入选了2022年《麻省理工科技评论》的“全球十大突破性技术”。

  有关MIT实验的报告发表在IEEE应用超导学报3月特刊的6篇经过同行评审的论文中，论文介绍了磁体的设计和制造、评估其性能所需的诊断设备，以及从试验过程中吸取的经验教训。

  不久前刚卸任MIT等离子体科学与聚变中心主任的Dennis Whyte表示，“一夜之间，MIT团队将聚变反应堆的每瓦特成本几乎降低到了1/40，让核聚变技术商用成为可能。在我看来，这是过去30年来核聚变研究中最重要的事情。”

  “现在核聚变有了机会。”Whyte说道。“托卡马克是目前使用最广泛的聚变实验装置设计。在我看来，托卡马克有机会变得经济实惠，因为在已知的约束物理规则下，我们大家可以大幅减小实现聚变所需装置的体积和成本，这是一个质的飞跃。”

  该团队的超导磁体也构成了CFS正在建造的SPARC核聚变装置的甜甜圈形腔体。这个腔体由16块被称为“薄饼”的板块组成，每块板块的一侧都缠绕着螺旋形的超导带，另一侧则是氦气冷却通道。

  核聚变是将轻原子结合形成更重原子的核反应试验过程，为太阳和恒星提供能量。但在地球上利用这一过程是一项艰巨的挑战。长期以来，人类追求的目标是建造一座核聚变发电厂。科学家希望利用核聚变产生的能量来创造一种清洁能源，以取代化石燃料和危险的核裂变操作。

  需要指出的是，核聚变发电厂能轻松实现在运行过程中几乎不排放温室气体，产生的放射性废物也很少。而且，核聚变的燃料是一种可以海水中提取的氢，几乎是无限的。

  然而，要建造这样的核聚变发电厂，需要在极高的温度和压力下压缩燃料，由于目前没有一点已知材料可承受这样的温度，因此必须利用极其强大的磁场来约束燃料。若想产生如此强大的磁场需要超导磁体，但之前所有的核聚变磁体都是用超导材料制造的，这样一种材料需要绝对零度以上约4开尔文的温度。

  而REBCO这种新型材料可以让核聚变磁体在20开尔文的温度下工作，在材料特性和实际工程方面有着显著的优势。Dennis Whyte认为，这样一种材料是对几乎所有用来制造超导磁体的原理的重新设计。如果采用这种全新的高温超导材料进行制造超导磁体，不单单是在前人的基础上进行改良，而是需要从头开始创新和研发。

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