世界最強聚變磁體，地球磁場50萬倍，2025年有望建成聚變發(fā)電站原型

2021-09-10 19:57

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

機器之心報道

機器之心編輯部

利用可控核聚變發(fā)電是人類一直以來的夢想，現(xiàn)在，它沒那么遙遠了。

核聚變能具有資源豐富、無碳排放和清潔安全等突出優(yōu)點，是人類未來理想的清潔能源之一。如果可控核聚變發(fā)電技術(shù)得以實現(xiàn)，人類的能源焦慮將得到極大緩解，對太空的探索也將更加深入。

科幻小說《三體》中對于可控核聚變實現(xiàn)之后的描述。

最近，一個新超導(dǎo)磁體的出現(xiàn)，讓人類在核聚變發(fā)電之路上又前進了一步。

在 9 月 8 號的一個在線新聞發(fā)布會上，美國新能源初創(chuàng)公司 Commonwealth Fusion Systems（簡稱 CFS）公布了一個長 2 米、寬 1 米的 D 型電磁體，并表示它產(chǎn)生的磁場大約是地球自然磁場的 50 萬倍，是任何類似超導(dǎo)磁體強度的兩倍。基于此，他們有望在 2025 年之前建成一個相對較小的聚變發(fā)電站原型，盡管還有很多其他挑戰(zhàn)需要克服。

CFS 成立于 2017 年，衍生于美國麻省理工學(xué)院，致力于開發(fā)由特殊高溫超導(dǎo)材料制成的磁體，這種磁體可以產(chǎn)生兩倍于傳統(tǒng)超導(dǎo)磁體強度的磁場。

新磁體測試的成功，標(biāo)志著該公司取得階段性勝利。等離子體物理學(xué)家、CFS 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Bob Mumgaard 表示：「我們 3 年前甚至不知道是否存在這樣一個磁體，但現(xiàn)在我們已經(jīng)擁有了它」。

聚變反應(yīng)堆（托卡馬克）旨在捕獲氘和氚的原子核聚變產(chǎn)生氦和高能中子時釋放的能量。為了做到這一點，托卡馬克依靠強磁場將超熱電離氣體或等離子體困住并擠壓在一個甜甜圈形狀的真空室中。然而，研究人員還沒有建成一個產(chǎn)能大于耗能的托卡馬克，而且他們一直認為這樣的反應(yīng)堆需要很大才能達到產(chǎn)能 - 耗能平衡。例如，多國聯(lián)合在法國建造的國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆（ITER）就有一個高 11 米、寬 19 米的真空室，它的目標(biāo)就是讓產(chǎn)能大于耗能。

CFS 的研究人員表示，他們的新磁體可以大大縮小托卡馬克的尺寸，因此更便宜、更容易建造。

在構(gòu)建這種磁體時，CFS 的研究人員采用的是由高溫超導(dǎo)體稀土氧化鋇銅（barium copper oxides）組成的線圈，而不是像鈮錫（niobium tin）這樣的普通超導(dǎo)金屬。當(dāng)超導(dǎo)體冷卻到接近絕對零度時，只要電流和磁場不太大，它就可以無電阻地傳輸電流。高溫超導(dǎo)體之所以被稱為高溫超導(dǎo)體，是因為它們在相對溫和的溫度下進行超導(dǎo)，一些溫度高于液氮（77 開爾文以上）的超導(dǎo)體可以比傳統(tǒng)超導(dǎo)體承受更高的磁場。

研究磁體的 MIT 等離子體物理學(xué)家兼工程師 Brian LaBombard 表示，主要的挑戰(zhàn)是設(shè)計一種磁體，使其能承受磁場本身對載流線圈產(chǎn)生的巨大機械應(yīng)力，你也可以把它想象成給氣球加壓。普通超導(dǎo)體可以做成堅固的電線，然后繞成一個線圈，但高溫超導(dǎo)體采用的是相對脆弱的磁帶（tape）。因此，為了開發(fā)新磁體，CFS 的研究人員提出了一種設(shè)計，將薄層磁帶夾在更堅固的金屬層之間。LaBombard 表示：「你需要盡可能多地使用金屬，而我們的設(shè)計正在將其推向極限?！?/p>

在最近的測試中，新磁體產(chǎn)生了大約 20 特的磁場，持續(xù) 5 小時，并且 CFS 研究人員表示他們可以無限期地維持磁場。有了新磁體，該公司表示他們正準(zhǔn)備為下一個目標(biāo)努力：開發(fā)一種名為 SPARC 的原型反應(yīng)堆，就像 ITER 一樣，旨在證明托卡馬克產(chǎn)生的能量大于消耗的能量。在 SPARC 中，研究人員將使用 18 個線圈環(huán)繞環(huán)形真空室，就像這個 20 特的原型一樣。

然而，一個磁體本身并不能構(gòu)成托卡馬克。去年，美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院的一份報告發(fā)現(xiàn)：為了在 2040 年使原型聚變發(fā)電站成為現(xiàn)實，該領(lǐng)域要克服的技術(shù)挑戰(zhàn)仍然非常多。其中需要有能夠承受來自等離子體的熱量和中子轟擊的材料，以及要找到從真空室排出熱氦氣的更好方案。

Mumgaard 也贊成這些問題必須解決，但他同時也認為：在強磁場下的緊湊型托卡馬克中，這些問題解決起來都將更加容易。

MIT 的等離子體物理學(xué)家兼工程師 Dennis Whyte 表示：「新磁體可能標(biāo)志著所有聚變開發(fā)人員對未來反應(yīng)堆的設(shè)想發(fā)生了翻天覆地的變化。」

「瓶子」里的太陽

聚變是為太陽提供能量的過程，即兩個小原子合并成一個大原子，并且釋放出巨大的能量。但這一過程所需要的溫度遠遠超過任何固體材料所能承受的溫度。要想在地球上捕獲太陽的能量源，我們需要的是一種捕獲和容納高溫物質(zhì)的方法，這個溫度高達 100,000,000 以上，方法是讓物質(zhì)懸浮起來，避免接觸任何固體。

這是通過強磁場來實現(xiàn)的。磁場就像一個無形的瓶子，里面裝著熾熱的旋轉(zhuǎn)質(zhì)子和電子湯，即等離子體。由于這些粒子帶有電荷，容易受到磁場的強烈控制，可以使用托卡馬克裝置容納它們。這些設(shè)備中的大多數(shù)都是使用銅制成的傳統(tǒng)電磁體產(chǎn)生磁場，但法國正在建設(shè)的 ITER 使用的是低溫超導(dǎo)體。

MIT-CFS 聚變設(shè)計的主要創(chuàng)新是使用了高溫超導(dǎo)體，這使得在更小的空間中可以產(chǎn)生更強的磁場。幾年前，一種新型超導(dǎo)材料上市，使這種設(shè)計成為可能。這個想法最初來自 Whyte 教授核工程課程中一個課堂項目。該想法似乎很有希望，在接下來的幾次迭代中繼續(xù)發(fā)展。2015 年初，研究者提出了 ARC 發(fā)電站的設(shè)計概念。SPARC 的設(shè)計尺寸約為 ARC 的一半，是一個試驗臺，用于在建造全尺寸發(fā)電站之前證明這一概念。

到目前為止，要想獲得強大的磁場，創(chuàng)造一個能夠容納加熱到數(shù)億度的等離子體的磁「瓶」，唯一的方法就是把它們變得越來越大。但新型高溫超導(dǎo)材料以扁平、帶狀的形式制成，使得在較小的設(shè)備中獲得更強大的磁場成為可能，與使用傳統(tǒng)低溫超導(dǎo)磁體的體積大 40 倍的設(shè)備的性能相當(dāng)。這種功率與尺寸之間的飛躍是 ARC 革命性設(shè)計的關(guān)鍵因素。

新的高溫超導(dǎo)磁體的使用，使得從托卡馬克實驗操作中獲得的幾十年的實驗知識得以應(yīng)用，此外還有益于 MIT 的 Alcator 項目。Alcator 是 MIT 首席研究員 Zach Hartwig、核科學(xué)與工程職業(yè)發(fā)展助理教授 Robert N. Noyce 領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究，采用了一種著名的設(shè)計，由于磁場變強，他們可將所有部件的尺寸縮小到線性尺寸的一半左右，并且仍能達到相同的操作條件。

去年研究者發(fā)表的一系列科學(xué)論文證實了這個新聚變裝置的可行性。論文表明，如果磁體按預(yù)期工作，整個聚變系統(tǒng)確實會產(chǎn)生凈功率輸出，這是幾十年來聚變研究的第一次。

PSFC 的副主任和高級研究科學(xué)家 Martin Greenwald 表示：「和其他聚變實驗設(shè)計不同，我們的研究定位是使用傳統(tǒng)的等離子物理學(xué)、傳統(tǒng)的托卡馬克設(shè)計和工程，但將新的磁體技術(shù)引入進來。因此，我們不需要在多個不同的領(lǐng)域進行創(chuàng)新，而是專注于磁體，然后應(yīng)用過去幾十年學(xué)到的知識。」

「這是一個重要時刻，由于對這些機器進行了數(shù)十年的研究，我們現(xiàn)在擁有一個在科學(xué)上非常先進的平臺，而且在商業(yè)上也非常有趣。它的作用是讓我們能夠更快地構(gòu)建更小的核聚變裝置，同時降低成本。」CFS 的首席執(zhí)行官 Bob Mumgaard 說道。

概念證明

將這種新的磁體概念變?yōu)楝F(xiàn)實，是一個超大規(guī)模的工程，需要三年時間，進行密集設(shè)計、建立供應(yīng)鏈和制造磁體，這些磁體最終可能需要由數(shù)千人生產(chǎn)。

CFS 運營主管 Joy Dunn 說：「我們制造了首創(chuàng)的超導(dǎo)磁體。創(chuàng)造獨特的制造工藝和設(shè)備需要大量的工作。現(xiàn)在，我們已經(jīng)做好了加速 SPARC 創(chuàng)建進程的準(zhǔn)備。我們從一個物理模型和一個 CAD 設(shè)計開始，經(jīng)過大量的開發(fā)和原型設(shè)計，將紙上的設(shè)計變成了真正的物理磁體?！惯@需要具備強大的制造能力和測試設(shè)施，其中涉及與多個超導(dǎo)帶材供應(yīng)商共同推進的迭代過程，以幫助他們提高生產(chǎn)符合規(guī)格的材料的能力。

他們同時使用了兩種可能的磁體設(shè)計，最終都滿足了設(shè)計要求。Dunn 說：「最終兩種設(shè)計要比較的是哪一種會徹底改變制造超導(dǎo)磁體的方式，哪一種更容易制造。」他們采用的設(shè)計在這方面非常突出。

在本次測試中，新磁體通過一系列步驟逐漸通電，直到達到 20 特磁場的目標(biāo)——這是高溫超導(dǎo)聚變磁體有史以來的最高場強。這塊磁體由 16 塊板疊在一起組成，每塊板本身就是世界上最強大的高溫超導(dǎo)磁體。

Mumgaard 說：「三年前，我們宣布了一項計劃，建造一個 20 特的磁體，這是未來聚變機器所需要的?！乖撃繕?biāo)現(xiàn)已按計劃實現(xiàn)。

下一步將是建造 SPARC，這是計劃中的 ARC 發(fā)電站的小規(guī)模版本。SPARC 的成功運行將證明一個全面的商業(yè)核聚變發(fā)電站是可行的，將為快速設(shè)計和建造開創(chuàng)性裝置鋪平道路。

MIT 研究院副院長 Maria Zuber 說：「從新磁體的表現(xiàn)來看，SPARC 可以產(chǎn)生凈正能量，這讓我非常高興。我們下一步要做的是擴大規(guī)模，建造一座真正的發(fā)電站。前方仍有許多挑戰(zhàn)，其中最重要的是開發(fā)一種允許可靠、持續(xù)運行的設(shè)計。另外基于商業(yè)化的目標(biāo)，還有一個主要的挑戰(zhàn)將是經(jīng)濟，即成本效益?！?/p>