清洁能源的圣杯，被攻下了？


“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了可能”！


最近，MIT等离子体科学与核聚变中心以及英联邦聚变系统（CFS）发表了一篇综合报告。


这份报告援引在“IEEE应用超导会刊”3月份特刊上6篇独立研究的论文，证明了：


MIT在2021年实验中采用“高温超导磁体”以及无绝缘的设计，是完全可行且可靠的。


同时还验证了，团队在实验中使用的独特超导磁体，足以作为核聚变发电厂的基础。


这预示着“核聚变”即将从一个实验室中的科学研究项目，成为可以商业化的技术。


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


而这一切都要从2021年MIT那次创下世界记录的核聚变实验说起。


一、“超导磁体”创磁场强度世界纪录


2021年9月5日凌晨，在麻省理工学院等离子体科学与核聚变中心（PSFC）的实验室，工程师们实现了一个重大里程碑：


一种由“高温超导材料”制成的新型磁体，达到了20 tesla的大规模磁场强度的世界纪录。


要知道，20 tesla正是建造核聚变发电厂所需的磁场强度。


科学家们预测，它有望产生净功率输出，并有可能开创一个几乎无限的发电时代。


试验证明是成功的，同时满足了为设计新的聚变装置（被称为SPARC，磁体是其关键的使能技术）而设定的所有标准。


疲惫不堪的工程师们打开香槟，庆祝已取得令人骄傲的成就。他们为此，付出了漫长而艰辛的努力。


但是科学家们并没有就此停下他们手头的工作。接下来的几个月里，团队拆解和检查了磁体的部件，仔细研究和分析了来自数百台记录测试细节的仪器的数据。


他们还在同一块磁体上进行了另外两次测试，最终将其进行了极限测试，以了解任何可能的失败模式的细节。


为的就是进一步验证他们实验中的超导磁体是否能在各种极限场景下都能稳定工作。


二、核聚变发电，成本降低40倍


最近卸任PSFC主任的日立美国工程学教授Dennis Whyte表示，“在我看来，磁体的成功测试是在过去30年的聚变研究中最重要的事情”。


正如实验结果显示，现有的超导磁体足够强大，有可能实现聚变能源。而唯一的缺点是，因其体积和成本巨大，永远不可能推广实用，或在经济上可行。


随后，研究人员进行的测试表明，如此强大的磁体在体积大大缩小的情况下，仍具有实用性。


“一夜之间，聚变反应堆的每瓦成本在一天之内就降低了近40倍”。



现在核聚变有了机会。“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有机会变得经济实惠，因为在已知的约束物理规则下，我们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”。


六篇论文详细介绍了MIT磁体测试的全面的数据。


然后通过分析表明，由麻省理工学院和CFS设计的新一代核聚变设备，以及其他商业聚变公司的类似设计，在科学上是完全行得通的。



三、是核聚变，更是超导的突破


核聚变，是轻原子结合成重原子的过程，为太阳和恒星提供能量。但事实证明，在地球上利用这一过程是一项艰巨的挑战。


几十年来，人们在实验装置研究上付出了巨大的努力，甚至花费了数十亿美元。人们都在追求却从未实现的目标是：建造一座产生的能量超过消耗的聚变发电厂。


这样的发电厂在运行过程中，可以在不排放温室气体的情况下发电，同时不会产生大量放射性废料。


而核聚变的燃料，来自从海水中提取的氢，几乎是无穷无尽的。但是，核聚变实现成功的条件，是在极高的温度和压力下对燃料进行压缩。


由于目前没有任何已知材料能够承受这样的温度，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，这种材料需要绝对零度以上约4度（4 kelvins，即-270摄氏度）的低温。


最近几年，一种被称为 REBCO（稀土钡铜氧化物）的新型材料，开始被用于核聚变磁体中。


它可以让核聚变磁体在20 kelvins的温度下工作，尽管比4 kelvins仅高出16 kelvins，但在材料特性和实际工程方面却有着显著优势。


新型高温超导材料，是对几乎所有用于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，不仅仅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。


“Transactions on Applied Superconductivity”杂志上的新论文描述了这一重新设计过程的细节，而且专利保护已经到位。


为了能够充分利用REBCO，研究人员重新设计了一种基于TSTC架构的工业可扩展大电流的“VIPER REBCO”电缆。


VIPER REBCO电缆具有这几个明显的优点：


  • 具有不到5%的稳定电流退化。


  • 在2-5nΩ范围内具有坚固的可拆卸接头；


  • 首次能在适合REBCO低正常区域传播速度的聚变相关条件下在全尺寸导体上进行两种不同的线缆淬火测试。


四、关键创新：无绝缘层设计


而在这个超导磁体中另一项让人匪夷所思的设计，是移除了薄而扁平的磁体超导带周围的绝缘体。


在传统的设计中，超导磁体周围要由绝缘材料进行保护，以防止短路。


而在这个新的超导磁体中，超导带完全是裸露的。



科学家们依靠REBCO更强的导电性来保持电流准确地通过材料。


负责开发超导磁体的MIT核科学与工程系Zach Hartwig教授说：“当我们在2018年开始这个项目时，利用高温超导体建造大规模高场磁体的技术还处于很早期的阶段，只能进行小型的实验。”


“我们的磁体研发项目在这个规模的基础上，在很短的时间内完成了全规模磁体的研发。”


团队最后制造了一个接近10吨的磁体，产生了高于20特斯拉，稳定且均匀的磁场。


“制造这些磁体的标准方法是将导体缠绕在绕组上，在绕组之间设置绝缘层，你需要绝缘层来处理意外情况（如停机）时产生的高电压”。


“去掉这层绝缘层的好处在于它是一个低压系统。它大大简化了制造工艺和进度”。这也为冷却或更多的强度结构留出了充足的空间。


磁体组件的尺寸略小，它构成了 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。


“但是，无绝缘层设计在大多数人眼里风险是很大的，而且就算测试阶段也有很大的风险”。


教授表示，“这是第一块规模足够大的磁体，探究了使用这种无绝缘层无扭转技术设计、制造和测试磁体所涉及的问题”。



“当团队宣布这是一个无绝缘层线圈时，整个社区都感到非常惊讶”。


五、极限测试已完成，大规模商用即将到来？


在之前的论文中描述的首次实验已经证明，这样的设计和制造工艺不仅可行，而且非常稳定，虽然一些研究人员曾对此表示怀疑。


接下来的两次测试也是在2021年底进行的，通过故意制造不稳定条件，包括完全关闭输入电源，将设备的运转条件推向了极限，这可能会导致灾难性的过热。


这种情况被称为“淬火”，被认为是此类磁体运行过程中可能出现的最坏情况，有可能直接摧毁设备。


Hartwig说，测试计划的部分任务是“实际去故意淬火一个全尺寸的磁体，这样我们就能在合适的规模和合适的条件下获得关键数据，以推动科学发展，验证设计代码”。



“然后拆开磁体，看看哪里出了问题，为什么会出问题，以及我们如何进行下一次迭代来解决这个问题......最终结果证明这是一次非常成功的试验。”


Hartwig说，最后的测试以融化了16块“薄饼”中的一个角而告终，但却产生了大量的新信息。


首先，他们一直在使用几种不同的计算模型来设计和预测磁体各方面的性能，在大多数情况下，这些模型在总体预测上都是一致的，并通过一系列测试和实际测量得到了很好的验证。


但在预测“淬火”效果时，模型的预测结果出现了偏差，因此有必要获取实验数据来评估模型的有效性。


研究人员开发的模型几乎准确地预测了磁体的升温方式、开始淬火时的升温程度以及由此对磁体造成的损坏程度。


实验准确地描述了正在发生的物理现象，并让科学家们明白了哪些模型在未来是有用的，哪些模型并不准确。


科学家们在测试了线圈各个方面的性能之后，还故意对线圈做了最糟糕的模拟。


结果发现，线圈的受损的面积只占线圈体积的百分之几。


根据这个结果，他们对设计继续进行了修改，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种规模的损坏。


Hartwig教授强调说，团队之所以能够完成这样一项创纪录的全新磁体设计，并在第一时间以极快的速度完成，主要得益于阿尔卡特C-Mod托卡马克、弗朗西斯-比特磁体实验室以及PSFC开展的其他工作数十年来积累的深厚知识、专业技能和设备。


未来，实验还将持续推进下去，以实现清洁电力的大规模商用。


参考资料：

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


本文来自微信公众号：新智元 （ID：AI_era），作者：新智元，编辑：桃子、润