人類離摘下清潔能源圣杯的終點又進一步！MIT在三年前開啟的實驗再次得到證實——高溫超導磁體或?qū)㈤_啟無限發(fā)電的時代。

清潔能源的圣杯，被攻下了？

「一夜之間，MIT團隊將聚變反應堆的每瓦特成本幾乎降低到了1/40，讓核聚變技術(shù)在商用成為了可能」！

最近，MIT等離子體科學與核聚變中心以及英聯(lián)邦聚變系統(tǒng)（CFS）發(fā)表了一篇綜合報告。

這份報告援引在「IEEE應用超導會刊」3月份特刊上6篇獨立研究的論文，證明了：

MIT在2021年實驗中采用「高溫超導磁體」以及無絕緣的設(shè)計，是完全可行且可靠的。

同時還驗證了，團隊在實驗中使用的獨特超導磁體，足以作為核聚變發(fā)電廠的基礎(chǔ)。

這預示著「核聚變」從一個實驗室中的科學研究項目，即將成為可以商業(yè)化的技術(shù)。

論文地址：https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=10348035&punumber=77

而這一切都要從2021年MIT那次創(chuàng)下世界記錄的核聚變實驗說起。

「超導磁體」創(chuàng)磁場強度世界紀錄

2021年9月5日凌晨，在麻省理工學院等離子體科學與核聚變中心（PSFC）的實驗室，工程師們實現(xiàn)了一個重大里程碑——

一種由「高溫超導材料」制成的新型磁體，達到了20 tesla的大規(guī)模磁場強度的世界紀錄。

要知道，20 tesla正是建造核聚變發(fā)電廠所需的磁場強度。

科學家們預測，它有望產(chǎn)生凈功率輸出，并有可能開創(chuàng)一個幾乎無限的發(fā)電時代。

試驗證明是成功的，同時滿足了為設(shè)計新的聚變裝置（被稱為SPARC，磁體是其關(guān)鍵的使能技術(shù)）而設(shè)定的所有標準。

疲憊不堪的工程師們打開香檳，慶祝已取得令人驕傲的成就。他們?yōu)榇?，付出了漫長而艱辛的努力。

但是科學家們并沒有就此停下他們手頭的工作。

接下來的幾個月里，團隊拆解和檢查了磁體的部件，仔細研究和分析了來自數(shù)百臺記錄測試細節(jié)的儀器的數(shù)據(jù)。

他們還在同一塊磁體上進行了另外兩次測試，最終將其進行了極限測試，以了解任何可能的失敗模式的細節(jié)。

為的就是進一步驗證他們實驗中的超導磁體是否能在各種極限場景下都能穩(wěn)定工作。

一個團隊將磁體放入低溫恒溫器容器中。

核聚變發(fā)電，成本降低40倍

最近卸任PSFC主任的日立美國工程學教授Dennis Whyte表示，「在我看來，磁體的成功測試是在過去30年的聚變研究中最重要的事情」。

正如實驗結(jié)果顯示，現(xiàn)有的超導磁體足夠強大，有可能實現(xiàn)聚變能源。

而唯一的缺點是，因其體積和成本巨大，永遠不可能推廣實用，或在經(jīng)濟上可行。

隨后，研究人員進行的測試表明，如此強大的磁體在體積大大縮小的情況下，仍具有實用性。

「一夜之間，聚變反應堆的每瓦成本在一天之內(nèi)就降低了近40倍」。

現(xiàn)在核聚變有了機會。「托卡馬克」是目前使用最廣泛的聚變實驗裝置設(shè)計。

「在我看來，托卡馬克有機會變得有機會變得經(jīng)濟實惠，因為在已知的約束物理規(guī)則下，我們可以大幅減小實現(xiàn)聚變所需裝置的體積和成本，這是一個質(zhì)的飛躍」。

六篇論文詳細介紹了MIT磁體測試的全面的數(shù)據(jù)。

然后通過分析表明，由麻省理工學院和CFS設(shè)計的新一代核聚變設(shè)備，以及其他商業(yè)聚變公司的類似設(shè)計，在科學上是完全行得通的。

是核聚變，更是超導的突破

核聚變，是輕原子結(jié)合成重原子的過程，為太陽和恒星提供能量。

但事實證明，在地球上利用這一過程是一項艱巨的挑戰(zhàn)。

幾十年來，人們在實驗裝置研究上付出了巨大的努力，甚至花費了數(shù)十億美元。

人們都在追求卻從未實現(xiàn)的目標是：建造一座產(chǎn)生的能量超過消耗的聚變發(fā)電廠。

這樣的發(fā)電廠在運行過程中，可以在不排放溫室氣體的情況下發(fā)電，同時不會產(chǎn)生大量放射性廢料。

而核聚變的燃料，來自從海水中提取的氫，幾乎是無窮無盡的。

但是，核聚變實現(xiàn)成功的條件，就必須在極高的溫度和壓力下對燃料進行壓縮。

由于目前沒有任何已知材料能夠承受這樣的溫度，因此必須利用極其強大的磁場來約束燃料。

若想產(chǎn)生如此強大的磁場需要「超導磁體」，但之前所有的核聚變磁體都是用超導材料制造的，這種材料需要絕對零度以上約4度（4 kelvins，即-270攝氏度）的低溫。

最近幾年，一種被稱為 REBCO（稀土鋇銅氧化物）的新型材料，開始被用于核聚變磁體中。

它可以讓核聚變磁體在20 kelvins的溫度下工作，盡管比4 kelvins僅高出16 kelvins，但在材料特性和實際工程方面卻有著顯著優(yōu)勢。

新型高溫超導材料，是對幾乎所有用于制造超導磁體的原理的重新設(shè)計。

如果采用這種全新的高溫超導材料進行制造超導磁體，不僅僅是在前人的基礎(chǔ)上進行改良，而是需要從頭開始創(chuàng)新和研發(fā)。

「Transactions on Applied Superconductivity」雜志上的新論文描述了這一重新設(shè)計過程的細節(jié)，而且專利保護已經(jīng)到位。

為了能夠充分利用REBCO，研究人員重新設(shè)計了一種基于TSTC架構(gòu)的工業(yè)可擴展大電流的“VIPER REBCO”電纜。

VIPER REBCO電纜具有這幾個明顯的優(yōu)點：

-具有不到5%的穩(wěn)定電流退化。

-在2-5nΩ范圍內(nèi)具有堅固的可拆卸接頭；

-首次能在適合REBCO低正常區(qū)域傳播速度的聚變相關(guān)條件下在全尺寸導體上進行兩種不同的線纜淬火測試。

關(guān)鍵創(chuàng)新：無絕緣層設(shè)計

而在這個超導磁體中另一項讓人匪夷所思的設(shè)計，是移除了薄而扁平的磁體超導帶周圍的絕緣體。

在傳統(tǒng)的設(shè)計中，超導磁體周圍要由絕緣材料進行保護，以防止短路。

而在這個新的超導磁體中，超導帶完全是裸露的。

科學家們依靠REBCO更強的導電性來保持電流準確地通過材料。

負責開發(fā)超導磁體的MIT核科學與工程系Zach Hartwig教授說：「當我們在2018年開始這個項目時，利用高溫超導體建造大規(guī)模高場磁體的技術(shù)還處于很早期的階段，只能進行小型的實驗?！?/span>

「我們的磁體研發(fā)項目在這個規(guī)?；A(chǔ)上，很短的時間內(nèi)完成了全規(guī)模磁體的研發(fā)?！?/span>

團隊最后制造了一個接近10噸的磁體，產(chǎn)生了高于20特斯拉，穩(wěn)定且均勻的磁場。

「制造這些磁體的標準方法是將導體纏繞在繞組上，在繞組之間設(shè)置絕緣層，你需要絕緣層來處理意外情況（如停機）時產(chǎn)生的高電壓」。

「去掉這層絕緣層的好處在于它是一個低壓系統(tǒng)。它大大簡化了制造工藝和進度」。

這也為冷卻或更多的強度結(jié)構(gòu)留出了充足的空間。

磁體組件的尺寸略小，它構(gòu)成了 CFS 正在建造的SPARC核聚變裝置的甜甜圈形腔體。

這個腔體由16塊被稱為「薄餅」的板塊組成，每塊板塊的一側(cè)都纏繞著螺旋形的超導帶，另一側(cè)則是氦氣冷卻通道。

「但是，無絕緣層設(shè)計在大多數(shù)人眼里風險是很大的，而且就算測試階段也有很大的風險」。

教授表示，「這是第一塊規(guī)模足夠大的磁體，探究了使用這種無絕緣層無扭轉(zhuǎn)技術(shù)設(shè)計、制造和測試磁體所涉及的問題」。

「當團隊宣布這是一個無絕緣層線圈時，整個社區(qū)都感到非常驚訝」。

極限測試已完成，大規(guī)模商用即將到來？

在之前的論文中描述的首次實驗已經(jīng)證明，這樣的設(shè)計和制造工藝不僅可行，而且非常穩(wěn)定，雖然一些研究人員曾對此表示懷疑。

接下來的兩次測試也是在2021年底進行的，通過故意制造不穩(wěn)定條件，包括完全關(guān)閉輸入電源，將設(shè)備的運轉(zhuǎn)條件推向了極限，這可能會導致災難性的過熱。

這種情況被稱為「淬火」，被認為是此類磁體運行過程中可能出現(xiàn)的最壞情況，有可能直接摧毀設(shè)備。

Hartwig說，測試計劃的部分任務(wù)是「實際去故意淬火一個全尺寸的磁體，這樣我們就能在合適的規(guī)模和合適的條件下獲得關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以推動科學發(fā)展，驗證設(shè)計代碼」。

「然后拆開磁體，看看哪里出了問題，為什么會出問題，以及我們?nèi)绾芜M行下一次迭代來解決這個問題......最終結(jié)果證明這是一次非常成功的試驗?！?/span>

Hartwig說，最后的測試以融化了16塊「薄餅」中的一個角而告終，但卻產(chǎn)生了大量的新信息。

首先，他們一直在使用幾種不同的計算模型來設(shè)計和預測磁體各方面的性能，在大多數(shù)情況下，這些模型在總體預測上都是一致的，并通過一系列測試和實際測量得到了很好的驗證。

但在預測「淬火」效果時，模型的預測結(jié)果出現(xiàn)了偏差，因此有必要獲取實驗數(shù)據(jù)來評估模型的有效性。

研究人員開發(fā)的模型幾乎準確地預測了磁體的升溫方式、開始淬火時的升溫程度以及由此對磁體造成的損壞程度。

實驗準確地描述了正在發(fā)生的物理現(xiàn)象，并讓科學家們明白了哪些模型在未來是有用的，哪些模型并不準確。

科學家們在測試了線圈各個方面的性能之后，還故意對線圈做了最糟糕的模擬。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，線圈的受損的面積只占線圈體積的百分之幾。

根據(jù)這個結(jié)果，他們對設(shè)計繼續(xù)進行了修改，預計即使在最極端的條件下，也能防止實際核聚變裝置的磁體出現(xiàn)這種規(guī)模的損壞。

Hartwig教授強調(diào)說，團隊之所以能夠完成這樣一項創(chuàng)紀錄的全新磁體設(shè)計，并在第一時間以極快的速度完成，主要得益于阿爾卡特C-Mod托卡馬克、弗朗西斯-比特磁體實驗室以及PSFC開展的其他工作數(shù)十年來積累的深厚知識、專業(yè)技能和設(shè)備。

未來，實驗還將持續(xù)推進下去，以實現(xiàn)清潔電力的大規(guī)模商用。

參考資料：https://news.mit.edu/2024/tests-show-high-temperature-superconducting-magnets-fusion-ready-0304