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，并有可能開創(chuàng)一個(gè)幾乎無限的發(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(xué)家們并沒有就此停下他們手頭的工作。

接下來的幾個(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主任的日立美國工程學(xué)教授Dennis Whyte表示，「在我看來，磁體的成功測(cè)試是在過去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，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)合成重原子的過程，為太陽和恒星提供能量。

但事實(shí)證明，在地球上利用這一過程是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

幾十年來，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)生的能量超過消耗的聚變發(fā)電廠。

這樣的發(fā)電廠在運(yùn)行過程中，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，來自從海水中提取的氫，幾乎是無窮無盡的。

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)電性來保持電流準(zhǔn)確地通過材料。

負(fù)責(zé)開發(fā)超導(dǎo)磁體的MIT核科學(xué)與工程系Zach Hartwig教授說：「當(dāng)我們?cè)?018年開始這個(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)?！?/span>

「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，探究了使用這種無絕緣層無扭轉(zhuǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試磁體所涉及的問題」。

「當(dāng)團(tuán)隊(duì)宣布這是一個(gè)無絕緣層線圈時(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？

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。

接下來的兩次測(cè)試也是在2021年底進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)條件推向了極限，這可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的過熱。

這種情況被稱為「淬火」，被認(rèn)為是此類磁體運(yùn)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(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」。

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

Hartwig說，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)來評(píng)估模型的有效性。

研究人員開發(fā)的模型幾乎準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了磁體的升溫方式、開始淬火時(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，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開展的其他工作數(shù)十年來積累的深厚知識(shí)、專業(yè)技能和設(shè)備。

未來，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。