清潔能源的圣杯，被攻下了？

「一夜之間，MIT團(tuán)隊將聚變反應(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)表了一篇綜合報告。

這份報告援引在「IEEE應(yīng)用超導(dǎo)會刊」3月份特刊上6篇獨立研究的論文，證明了：

MIT在2021年實驗中采用「高溫超導(dǎo)磁體」以及無絕緣的設(shè)計，是完全可行且可靠的。

同時還驗證了，團(tuán)隊在實驗中使用的獨特超導(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」從一個實驗室中的科學(xué)研究項目，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驗說起。

「超導(dǎo)磁體」創(chuàng)磁場強(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）的實驗室，工程師們實現(xiàn)了一個重大里程碑——

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)電廠所需的磁場強(qiáng)度。

科學(xué)家們預(yù)測，它有望產(chǎn)生凈功率輸出，并有可能開創(chuàng)一個幾乎無限的發(fā)電時代。

試驗證明是成功的，同時滿足了為設(shè)計新的聚變裝置（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)榇耍冻隽寺L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。

接下來的幾個月里，團(tuán)隊拆解和檢查了磁體的部件，仔細(xì)研究和分析了來自數(shù)百臺記錄測試細(xì)節(jié)的儀器的數(shù)據(jù)。

他們還在同一塊磁體上進(jìn)行了另外兩次測試，最終將其進(jìn)行了極限測試，以了解任何可能的失敗模式的細(xì)節(jié)。

為的就是進(jìn)一步驗證他們實驗中的超導(dǎo)磁體是否能在各種極限場景下都能穩(wěn)定工作。

一個團(tuán)隊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，磁體的成功測試是在過去30年的聚變研究中最重要的事情」。

正如實驗結(jié)果顯示，現(xiàn)有的超導(dǎo)磁體足夠強(qiáng)大，有可能實現(xiàn)聚變能源。

而唯一的缺點是，因其體積和成本巨大，永遠(yuǎn)不可能推廣實用，或在經(jīng)濟(jì)上可行。

隨后，研究人員進(jìn)行的測試表明，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。「托卡馬克」是目前使用最廣泛的聚變實驗裝置設(shè)計。

「在我看來，托卡馬克有機(jī)會變得有機(jī)會變得經(jīng)濟(jì)實惠，因為在已知的約束物理規(guī)則下，我們可以大幅減小實現(xiàn)聚變所需裝置的體積和成本，這是一個質(zhì)的飛躍」。

六篇論文詳細(xì)介紹了MIT磁體測試的全面的數(shù)據(jù)。

然后通過分析表明，由麻省理工學(xué)院和CFS設(shè)計的新一代核聚變設(shè)備，以及其他商業(yè)聚變公司的類似設(shè)計，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。

但事實證明，在地球上利用這一過程是一項艱巨的挑戰(zhàn)。

幾十年來，人們在實驗裝置研究上付出了巨大的努力，甚至花費了數(shù)十億美元。

人們都在追求卻從未實現(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，同時不會產(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，核聚變實現(xiàn)成功的條件，就必須在極高的溫度和壓力下對燃料進(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)大的磁場來約束燃料。

若想產(chǎn)生如此強(qiáng)大的磁場需要「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，但在材料特性和實際工程方面卻有著顯著優(yōu)勢。

新型高溫超導(dǎo)材料，是對幾乎所有用于制造超導(dǎo)磁體的原理的重新設(shè)計。

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電纜具有這幾個明顯的優(yōu)點：

-具有不到5%的穩(wěn)定電流退化。

-在2-5nΩ范圍內(nèi)具有堅固的可拆卸接頭；

-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試。

關(guān)鍵創(chuàng)新：無絕緣層設(shè)計

而在這個超導(dǎo)磁體中另一項讓人匪夷所思的設(shè)計，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)我們在2018年開始這個項目時，利用高溫超導(dǎo)體建造大規(guī)模高場磁體的技術(shù)還處于很早期的階段，只能進(jìn)行小型的實驗。」

「我們的磁體研發(fā)項目在這個規(guī)?；A(chǔ)上，很短的時間內(nèi)完成了全規(guī)模磁體的研發(fā)。」

團(tuán)隊最后制造了一個接近10噸的磁體，產(chǎn)生了高于20特斯拉，穩(wěn)定且均勻的磁場。

「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)）時產(chǎn)生的高電壓」。

「去掉這層絕緣層的好處在于它是一個低壓系統(tǒng)。它大大簡化了制造工藝和進(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)計在大多數(shù)人眼里風(fēng)險是很大的，而且就算測試階段也有很大的風(fēng)險」。

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、制造和測試磁體所涉及的問題」。

「當(dāng)團(tuán)隊宣布這是一個無絕緣層線圈時，整個社區(qū)都感到非常驚訝」。

極限測試已完成，大規(guī)模商用即將到來？

在之前的論文中描述的首次實驗已經(jīng)證明，這樣的設(shè)計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此表示懷疑。

接下來的兩次測試也是在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，測試計劃的部分任務(wù)是「實際去故意淬火一個全尺寸的磁體，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)，以推動科學(xué)發(fā)展，驗證設(shè)計代碼」。

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

Hartwig說，最后的測試以融化了16塊「薄餅」中的一個角而告終，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算模型來設(shè)計和預(yù)測磁體各方面的性能，在大多數(shù)情況下，這些模型在總體預(yù)測上都是一致的，并通過一系列測試和實際測量得到了很好的驗證。

但在預(yù)測「淬火」效果時，模型的預(yù)測結(jié)果出現(xiàn)了偏差，因此有必要獲取實驗數(shù)據(jù)來評估模型的有效性。

研究人員開發(fā)的模型幾乎準(zhǔn)確地預(yù)測了磁體的升溫方式、開始淬火時的升溫程度以及由此對磁體造成的損壞程度。

實驗準(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)家們在測試了線圈各個方面的性能之后，還故意對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)這個結(jié)果，他們對設(shè)計繼續(xù)進(jìn)行了修改，預(yù)計即使在最極端的條件下，也能防止實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)隊之所以能夠完成這樣一項創(chuàng)紀(jì)錄的全新磁體設(shè)計，并在第一時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-比特磁體實驗室以及PSFC開展的其他工作數(shù)十年來積累的深厚知識、專業(yè)技能和設(shè)備。

未來，實驗還將持續(xù)推進(jìn)下去，以實現(xiàn)清潔電力的大規(guī)模商用。