作者:文乐乐 来源:中国科学报 发布时间:2021/9/9 23:24:46
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强大电磁铁让人类离聚变能更进一步

 

由于一种新型超导磁体的出现,聚变能这一难以捉摸的目标可能更接近现实。日前,美国联邦聚变系统(CFS)公司在线上新闻发布会上公布了这一长2米、宽1米的D型电磁铁,并表示它产生的磁场大约是地球自然磁场的50万倍,是任何类似超导磁铁强度的两倍。研究人员表示,磁体技术应该能使他们在2025年前建造一个相对较小的聚变发电厂原型。但在此之前,他们还必须克服多种其他技术挑战。

CFS2018年从麻省理工学院分立,致力于开发由特殊高温超导材料制成的磁体,这种材料可以产生强度是传统超导磁体两倍的磁场。

聚变反应堆或托卡马克,旨在捕获氘和氚(氢的重同位素)的原子核聚变产生氦和高能中子时释放的能量。为了实现这一点,托卡马克依靠强磁场在圆环形真空室内捕获和挤压超高温电离气体或等离子体。

不过,研究人员还没有建造一个产能比耗能更多的托卡马克,而且他们一直认为反应堆要很大才能实现“收支”平衡。例如,法国正在建设的国际热核聚变实验堆ITER,就有一个高11米、宽19米的真空室。

但CFS的研究人员表示,有了高磁场的磁铁,托卡马克就可以大大缩小,因此会更便宜,也更容易建造。他们通过使用由高温超导体稀土钡铜氧化物组成的线圈来制造所需的磁铁,而不是铌锡这样的普通超导金属。当超导体冷却到接近绝对零度时,只要电流和磁场不太大,超导体就可以无电阻地传输电流。

麻省理工学院等离子体物理学家和工程师Brian LaBombard说,主要的挑战是要设计一种磁体,它能承受磁场本身对载流线圈产生的巨大机械应力。

“你可以把它想象成给气球加压。”他说。普通的超导体可以被设计成坚固耐用的线圈,但是高温超导体由一种相对脆弱的磁带制成的。因此,CFS的研究人员想出了一种设计,在较强的金属层之间夹着薄磁带。

在最近的测试中,新磁铁产生了20特斯拉的磁场,持续了约5小时——CFS研究人员表示,他们可以无限期地维持这个磁场。该公司表示,有了磁铁,它们已经准备好向下一个目标进发:开发一个名为SPARC的原型反应堆,就像ITER一样。“这种磁体使我们能在与商业规模上开发制造工艺、设备和供应链。” CFS的制造工程师Joy Dunn说。

然而,一个磁铁本身并不能构成托卡马克。去年,美国国家科学、工程和医学院的一份报告指出,要在2040年前实现聚变发电厂的原型,该领域还必须克服许多其他技术挑战。这些需求包括能够直面等离子体的热量和中子轰击的材料,以及从真空室排出热氦的更好方案。

等离子体物理学家、CFS联合创始人兼首席执行官Bob Mumgaard同意这些问题必须解决。但他认为,在一个高磁场、紧凑的托卡马克系统中,解决这些问题将容易得多。

 
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