MIT創(chuàng)世紀(jì)核聚變刷新世界記錄!高溫超導(dǎo)磁體解鎖恒星能量,人造太陽(yáng)即將誕生?
清潔能源的圣杯,被攻下了?
「一夜之間,MIT團(tuán)隊(duì)將聚變反應(yīng)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(xué)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(bào)告。
這份報(bào)告援引在「IEEE應(yīng)用超導(dǎo)會(huì)刊」3月份特刊上6篇獨(dú)立研究的論文,證明了:
MIT在2021年實(shí)驗(yàn)中采用「高溫超導(dǎo)磁體」以及無(wú)絕緣的設(shè)計(jì),是完全可行且可靠的。
同時(shí)還驗(yàn)證了,團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中使用的獨(dú)特超導(dǎo)磁體,足以作為核聚變發(fā)電廠的基礎(chǔ)。
這預(yù)示著「核聚變」從一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中的科學(xué)研究項(xiàng)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(shí)驗(yàn)說(shuō)起。
「超導(dǎo)磁體」創(chuàng)磁場(chǎng)強(qiáng)度世界紀(jì)錄
2021年9月5日凌晨,在麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與核聚變中心(PSFC)的實(shí)驗(yàn)室,工程師們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)重大里程碑——
一種由「高溫超導(dǎo)材料」制成的新型磁體,達(dá)到了20 tesla的大規(guī)模磁場(chǎng)強(qiáng)度的世界紀(jì)錄。
要知道,20 tesla正是建造核聚變發(fā)電廠所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
科學(xué)家們預(yù)測(cè),它有望產(chǎn)生凈功率輸出,并有可能開(kāi)創(chuàng)一個(gè)幾乎無(wú)限的發(fā)電時(shí)代。
試驗(yàn)證明是成功的,同時(shí)滿足了為設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。
疲憊不堪的工程師們打開(kāi)香檳,慶祝已取得令人驕傲的成就。他們?yōu)榇?,付出了漫長(zhǎng)而艱辛的努力。
但是科學(xué)家們并沒(méi)有就此停下他們手頭的工作。
接下來(lái)的幾個(gè)月里,團(tuán)隊(duì)拆解和檢查了磁體的部件,仔細(xì)研究和分析了來(lái)自數(shù)百臺(tái)記錄測(cè)試細(xì)節(jié)的儀器的數(shù)據(jù)。
他們還在同一塊磁體上進(jìn)行了另外兩次測(cè)試,最終將其進(jìn)行了極限測(cè)試,以了解任何可能的失敗模式的細(xì)節(jié)。
為的就是進(jìn)一步驗(yàn)證他們實(shí)驗(yàn)中的超導(dǎo)磁體是否能在各種極限場(chǎng)景下都能穩(wěn)定工作。
一個(gè)團(tuán)隊(duì)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(guó)工程學(xué)教授Dennis Whyte表示,「在我看來(lái),磁體的成功測(cè)試是在過(guò)去30年的聚變研究中最重要的事情」。
正如實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,現(xiàn)有的超導(dǎo)磁體足夠強(qiáng)大,有可能實(shí)現(xiàn)聚變能源。
而唯一的缺點(diǎn)是,因其體積和成本巨大,永遠(yuǎn)不可能推廣實(shí)用,或在經(jīng)濟(jì)上可行。
隨后,研究人員進(jìn)行的測(cè)試表明,如此強(qiáng)大的磁體在體積大大縮小的情況下,仍具有實(shí)用性。
「一夜之間,聚變反應(yīng)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(jī)會(huì)?!竿锌R克」是目前使用最廣泛的聚變實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)。
「在我看來(lái),托卡馬克有機(jī)會(huì)變得有機(jī)會(huì)變得經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,因?yàn)樵谝阎募s束物理規(guī)則下,我們可以大幅減小實(shí)現(xiàn)聚變所需裝置的體積和成本,這是一個(gè)質(zhì)的飛躍」。
六篇論文詳細(xì)介紹了MIT磁體測(cè)試的全面的數(shù)據(jù)。
然后通過(guò)分析表明,由麻省理工學(xué)院和CFS設(shè)計(jì)的新一代核聚變?cè)O(shè)備,以及其他商業(yè)聚變公司的類似設(shè)計(jì),在科學(xué)上是完全行得通的。
是核聚變,更是超導(dǎo)的突破
核聚變,是輕原子結(jié)合成重原子的過(guò)程,為太陽(yáng)和恒星提供能量。
但事實(shí)證明,在地球上利用這一過(guò)程是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。
幾十年來(lái),人們?cè)趯?shí)驗(yàn)裝置研究上付出了巨大的努力,甚至花費(fèi)了數(shù)十億美元。
人們都在追求卻從未實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是:建造一座產(chǎn)生的能量超過(guò)消耗的聚變發(fā)電廠。
這樣的發(fā)電廠在運(yùn)行過(guò)程中,可以在不排放溫室氣體的情況下發(fā)電,同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大量放射性廢料。
而核聚變的燃料,來(lái)自從海水中提取的氫,幾乎是無(wú)窮無(wú)盡的。
但是,核聚變實(shí)現(xiàn)成功的條件,就必須在極高的溫度和壓力下對(duì)燃料進(jìn)行壓縮。
由于目前沒(méi)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(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)約束燃料。
若想產(chǎn)生如此強(qiáng)大的磁場(chǎng)需要「超導(dǎo)磁體」,但之前所有的核聚變磁體都是用超導(dǎo)材料制造的,這種材料需要絕對(duì)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(kāi)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(shí)際工程方面卻有著顯著優(yōu)勢(shì)。
新型高溫超導(dǎo)材料,是對(duì)幾乎所有用于制造超導(dǎo)磁體的原理的重新設(shè)計(jì)。
如果采用這種全新的高溫超導(dǎo)材料進(jìn)行制造超導(dǎo)磁體,不僅僅是在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良,而是需要從頭開(kāi)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(jì)過(guò)程的細(xì)節(jié),而且專利保護(hù)已經(jīng)到位。
為了能夠充分利用REBCO,研究人員重新設(shè)計(jì)了一種基于TSTC架構(gòu)的工業(yè)可擴(kuò)展大電流的“VIPER REBCO”電纜。
VIPER REBCO電纜具有這幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn):
-具有不到5%的穩(wěn)定電流退化。
-在2-5nΩ范圍內(nèi)具有堅(jiān)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(dǎo)體上進(jìn)行兩種不同的線纜淬火測(cè)試。
關(guān)鍵創(chuàng)新:無(wú)絕緣層設(shè)計(jì)
而在這個(gè)超導(dǎo)磁體中另一項(xiàng)讓人匪夷所思的設(shè)計(jì),是移除了薄而扁平的磁體超導(dǎo)帶周圍的絕緣體。
在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,超導(dǎo)磁體周圍要由絕緣材料進(jìn)行保護(hù),以防止短路。
而在這個(gè)新的超導(dǎo)磁體中,超導(dǎo)帶完全是裸露的。
科學(xué)家們依靠REBCO更強(qiáng)的導(dǎo)電性來(lái)保持電流準(zhǔn)確地通過(guò)材料。
負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)超導(dǎo)磁體的MIT核科學(xué)與工程系Zach Hartwig教授說(shuō):「當(dāng)我們?cè)?018年開(kāi)始這個(gè)項(xiàng)目時(shí),利用高溫超導(dǎo)體建造大規(guī)模高場(chǎng)磁體的技術(shù)還處于很早期的階段,只能進(jìn)行小型的實(shí)驗(yàn)。」
「我們的磁體研發(fā)項(xiàng)目在這個(gè)規(guī)?;A(chǔ)上,很短的時(shí)間內(nèi)完成了全規(guī)模磁體的研發(fā)?!?/span>
團(tuán)隊(duì)最后制造了一個(gè)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(chǎng)。
「制造這些磁體的標(biāo)準(zhǔn)方法是將導(dǎo)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(lái)處理意外情況(如停機(jī))時(shí)產(chǎn)生的高電壓」。
「去掉這層絕緣層的好處在于它是一個(gè)低壓系統(tǒng)。它大大簡(jiǎn)化了制造工藝和進(jìn)度」。
這也為冷卻或更多的強(qiáng)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(gè)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(dǎo)帶,另一側(cè)則是氦氣冷卻通道。
「但是,無(wú)絕緣層設(shè)計(jì)在大多數(shù)人眼里風(fēng)險(xiǎn)是很大的,而且就算測(cè)試階段也有很大的風(fēng)險(xiǎn)」。
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(wú)絕緣層無(wú)扭轉(zhuǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試磁體所涉及的問(wèn)題」。
「當(dāng)團(tuán)隊(duì)宣布這是一個(gè)無(wú)絕緣層線圈時(shí),整個(gè)社區(qū)都感到非常驚訝」。
極限測(cè)試已完成,大規(guī)模商用即將到來(lái)?
在之前的論文中描述的首次實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明,這樣的設(shè)計(jì)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(duì)此表示懷疑。
接下來(lái)的兩次測(cè)試也是在2021年底進(jìn)行的,通過(guò)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(yùn)轉(zhuǎn)條件推向了極限,這可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的過(guò)熱。
這種情況被稱為「淬火」,被認(rèn)為是此類磁體運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的最壞情況,有可能直接摧毀設(shè)備。
Hartwig說(shuō),測(cè)試計(jì)劃的部分任務(wù)是「實(shí)際去故意淬火一個(gè)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(dòng)科學(xué)發(fā)展,驗(yàn)證設(shè)計(jì)代碼」。
「然后拆開(kāi)磁體,看看哪里出了問(wèn)題,為什么會(huì)出問(wèn)題,以及我們?nèi)绾芜M(jìn)行下一次迭代來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題......最終結(jié)果證明這是一次非常成功的試驗(yàn)?!?/span>
Hartwig說(shuō),最后的測(cè)試以融化了16塊「薄餅」中的一個(gè)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(jì)算模型來(lái)設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)磁體各方面的性能,在大多數(shù)情況下,這些模型在總體預(yù)測(cè)上都是一致的,并通過(guò)一系列測(cè)試和實(shí)際測(cè)量得到了很好的驗(yàn)證。
但在預(yù)測(cè)「淬火」效果時(shí),模型的預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)了偏差,因此有必要獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估模型的有效性。
研究人員開(kāi)發(fā)的模型幾乎準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了磁體的升溫方式、開(kāi)始淬火時(shí)的升溫程度以及由此對(duì)磁體造成的損壞程度。
實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確地描述了正在發(fā)生的物理現(xiàn)象,并讓科學(xué)家們明白了哪些模型在未來(lái)是有用的,哪些模型并不準(zhǔn)確。
科學(xué)家們?cè)跍y(cè)試了線圈各個(gè)方面的性能之后,還故意對(duì)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(gè)結(jié)果,他們對(duì)設(shè)計(jì)繼續(xù)進(jìn)行了修改,預(yù)計(jì)即使在最極端的條件下,也能防止實(shí)際核聚變裝置的磁體出現(xiàn)這種規(guī)模的損壞。
Hartwig教授強(qiáng)調(diào)說(shuō),團(tuán)隊(duì)之所以能夠完成這樣一項(xiàng)創(chuàng)紀(jì)錄的全新磁體設(shè)計(jì),并在第一時(shí)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(shí)驗(yàn)室以及PSFC開(kāi)展的其他工作數(shù)十年來(lái)積累的深厚知識(shí)、專業(yè)技能和設(shè)備。
未來(lái),實(shí)驗(yàn)還將持續(xù)推進(jìn)下去,以實(shí)現(xiàn)清潔電力的大規(guī)模商用。