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研究项目在核聚变能源方面取得重大进展

2021年9月29日电子科技

三年时间,这是一个时刻,基于密集的研究和设计工作:9月5号,第一次大型高温超导电磁铁是增加20特士拉的磁场强度,有史以来最强大的磁场的创造了地球上。麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)和新兴公司英联邦聚变系统(Commonwealth fusion Systems, CFS)的项目负责人表示,这一成功的演示有助于解决建造世界上第一个发电量大于消耗量的核聚变电站所面临的最大不确定性。

他们说,这一进展为长期以来寻求的实用、廉价、无碳的发电厂的创建铺平了道路,这些电厂可能会对限制全球气候变化的影响做出重大贡献。“核聚变在很多方面都是终极的清洁能源,”麻省理工学院负责研究的副校长Maria Zuber和地球物理学教授E.A. Griswold说。“可用的电量真的改变了游戏规则。”用于产生核聚变能量的燃料来自水,“地球上到处都是水——水几乎是一种无限的资源。”我们只需要弄清楚如何利用它。”

开发新型磁体被视为实现这一目标的最大技术障碍;它的成功操作为在地球上的实验室中演示核聚变打开了大门,这一领域几十年来一直在研究,但进展有限。随着磁体技术的成功演示,麻省理工学院和cfs的合作正在建造世界上第一个聚变装置,它可以创造和限制产生的能量大于消耗的等离子体。这个示范设备被称为SPARC,目标是在2025年完成。

麻省理工学院等离子体科学与聚变中心主任丹尼斯·怀特(Dennis Whyte)说:“实现核聚变的挑战既有技术上的,也有科学上的。”该中心正与CFS合作开发SPARC。但他说,一旦这项技术被证实,“它将是一种取之不尽、无碳的能源,你可以在任何时间、任何地点使用它。”这是一种全新的能源。”

怀特是日立美国公司的工程学教授,他说该团队的演示是一个重要的里程碑,解决了关于SPARC设计可行性的最大问题。他说:“我相信,这确实是核聚变科学技术的一个分水岭。”

瓶子里的太阳

聚变是为太阳提供能量的过程:两个小原子合并成一个大原子,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。为了在地球上捕获太阳的能量来源,我们需要一种方法,通过将其悬挂起来,防止其接触任何固体物质,从而捕获并容纳高达1亿开尔文或更高的热量。

这是通过强磁场实现的,强磁场形成了一个看不见的瓶子,里面装着炽热的旋转的质子和电子汤,称为等离子体。由于粒子带有电荷,它们受到磁场的强烈控制,最广泛使用的容纳它们的结构是一个被称为托卡马克的甜甜圈形状的装置。这些设备中的大多数都是用铜制成的传统电磁铁来产生磁场的,但法国正在建造的最新也是最大的版本,称为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,一种新型超导材料在市场上上市,使这种设计成为可能。这个想法最初是怀特教授的核工程课上的一个课堂项目。这个想法看起来很有希望,在接下来的几次迭代中,它继续发展,导致ARC电厂设计概念在2015年初。SPARC的设计尺寸约为ARC的一半,是一个测试平台,用于在建造全尺寸的发电厂之前验证这一概念。

到目前为止,要想获得足够强大的磁场来制造一个能够容纳加热到所需温度的等离子体的磁性“瓶子”,唯一的办法就是把它们变得越来越大。但是新的高温超导材料,在一个平面的形式,带状磁带,可以在更小的设备,实现更高的磁场均等装置的性能,达到40倍体积的使用传统的低温超导磁体。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应用几十年托卡马克实验中获得的实验知识成为可能,包括麻省理工学院自己的Alcator系列。扎克Hartwig,领导的新方法,麻省理工学院首席研究员罗伯特·n·诺伊斯和职业发展核能科学与工程助理教授使用了一个知名的设计但缩放到大约一半的线性尺寸和仍然达到相同的操作条件,因为更高的磁场。

去年发表的一系列科学论文概述了物理基础,并通过模拟证实了这种新型聚变装置的可行性。这篇论文表明,如果磁铁能像预期的那样工作,整个核聚变系统确实应该产生净功率输出,这是几十年来核聚变研究中的第一次。

PSFC的副主任和高级研究科学家马丁·格林沃尔德说,与其他核聚变实验的设计不同,“我们填补的小空间是使用传统的等离子体物理和传统的托卡马克设计和工程,但引入了新的磁体技术。所以,我们不需要在六个不同的领域进行创新。我们只是在磁石上进行创新,然后应用过去几十年学到的知识基础。”

科学确定的设计原则和改变游戏规则的磁场强度的结合,使得实现一个在经济上可行并在快速轨道上发展的电厂成为可能。“这是一个重大时刻,”CFS首席执行官鲍勃•穆加德(Bob Mumgaard)表示。“由于对这些机器进行了数十年的研究,我们现在拥有了一个在科学上非常先进的平台,而且在商业上也非常有趣。它所做的是让我们制造设备更快、更小、成本更低,”他谈到成功的磁体演示时说。

概念证明

将新的磁体概念变成现实需要三年的密集设计工作,建立供应链,研究最终可能需要成千上万块磁体的制造方法。

“我们建造了一个史无前例的超导磁铁。创造独特的制造工艺和设备需要大量的工作。因此,我们现在已做好充分准备,提高SPARC的产量。”“我们从物理模型和CAD设计开始,经过了大量的开发和原型工作,把纸上的设计变成了实际的物理磁铁。”这需要建立制造能力和测试设施,包括与多家超导胶带供应商的迭代过程,以帮助他们达到生产符合所需规格的材料的能力——而CFS目前是世界上最大的用户。

她说,他们对两种可能的磁铁设计进行了并行研究,最终都达到了设计要求。“归根结底,哪一种会彻底改变我们制造超导磁铁的方式,哪一种更容易制造。”她说,他们采用的设计显然在这方面很突出。

在这次测试中,新磁体通过一系列步骤逐渐通电,直到达到20特斯拉磁场的目标——这是有史以来高温超导聚变磁体的最高磁场强度。磁铁是由16块堆叠在一起的板组成,每一块板本身将是世界上最强大的高温超导磁铁。

“三年前,我们宣布了一个计划,”穆加德说,“建造一个20特斯拉的磁体,这是我们未来的核聚变机所需要的。”他说,这个目标现在已经按时实现了,即使是在大流行的情况下。

引用去年发表的一系列物理学论文,CFS的首席科学官布兰登·索博姆(Brandon Sorbom)说:“基本上,这些论文得出的结论是,如果我们建造了磁体,所有的物理学都将在SPARC中工作。”所以,这个演示回答了这个问题:它们能造出磁铁吗?这是一个非常激动人心的时刻!这是一个巨大的里程碑。”

下一步将是建造SPARC,计划中的ARC电厂的一个更小的版本。SPARC的成功运行将证明一个全规模商业聚变电站是可行的,为快速设计和建造这一开创性装置以全速前进扫清了道路。

Zuber说:“根据磁铁的表现,我现在真的很乐观,SPARC可以实现净正能量。下一步是扩大规模,建造一座真正的发电厂。未来仍有许多挑战,不仅仅是开发一种可靠的、可持续的操作设计。意识到这里的目标是商业化,另一个主要挑战将是经济。如何设计这些发电厂,使建造和部署它们具有成本效益?”

在一个期望的未来,总有一天可能会有成千上万的融合世界各地的植物清洁电网供电,Zuber说,“我认为我们将回顾并思考如何到达那里,我认为磁铁的示范技术,对我来说,是我相信的时候,哇,我们真的可以做到这一点。”

Zuber指出,成功制造出能产生能量的核聚变装置将是一项巨大的科学成就。但这不是重点。“在这个时候,我们没有人想要赢得奖杯。我们正在努力让这个星球适宜居住。”




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