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強(qiáng)大電磁鐵有助實(shí)現(xiàn)聚變能

2021-09-11 02:30:15 來(lái)源:《中國(guó)科學(xué)報(bào)》

研究人員正在研究產(chǎn)生20特斯拉磁場(chǎng)的新磁鐵。圖片來(lái)源:GRETCHEN ERTL/CFS

由于一種新型超導(dǎo)磁體的出現(xiàn),聚變能更接近現(xiàn)實(shí)了。日前,美國(guó)聯(lián)邦聚變系統(tǒng)(CFS)公司在線上新聞發(fā)布會(huì)上公布了這一長(zhǎng)2米、寬1米的D型電磁鐵,并表示它產(chǎn)生的磁場(chǎng)大約是地球自然磁場(chǎng)的50萬(wàn)倍,是任何類似超導(dǎo)磁鐵強(qiáng)度的2倍。研究人員表示,新磁體技術(shù)或能使他們?cè)?025年前建造一個(gè)小型的聚變發(fā)電廠原型。不過(guò),在此之前,他們還必須克服多種其他技術(shù)挑戰(zhàn)。

2018年,CFS從麻省理工學(xué)院孵化,致力于開(kāi)發(fā)由特殊高溫超導(dǎo)材料制成的磁體,這種材料可以產(chǎn)生強(qiáng)度是傳統(tǒng)超導(dǎo)磁體兩倍的磁場(chǎng)。

聚變反應(yīng)堆或托卡馬克,旨在捕獲氘和氚(氫的重同位素)的原子核聚變產(chǎn)生氦和高能中子時(shí)釋放的能量。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),托卡馬克依靠強(qiáng)磁場(chǎng)在圓環(huán)形真空室內(nèi)捕獲和擠壓超高溫電離氣體或等離子體。

不過(guò),研究人員還沒(méi)有建造一個(gè)產(chǎn)能比耗能更多的托卡馬克,而且他們一直認(rèn)為反應(yīng)堆要很大才能實(shí)現(xiàn)“收支”平衡。例如,正在建設(shè)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER,就有一個(gè)高11米、寬19米的真空室。

但CFS研究人員表示,有了高磁場(chǎng)的磁鐵,托卡馬克就可以大大縮小,因此會(huì)更便宜,也更容易建造。他們使用由高溫超導(dǎo)體稀土鋇銅氧化物組成的線圈制造所需的磁鐵,而不是鈮錫等普通超導(dǎo)金屬。當(dāng)超導(dǎo)體冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí),只要電流和磁場(chǎng)不太大,超導(dǎo)體就可以無(wú)電阻地傳輸電流。

麻省理工學(xué)院等離子體物理學(xué)家和工程師Brian LaBombard說(shuō),主要的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)一種磁體,它能承受磁場(chǎng)本身對(duì)載流線圈產(chǎn)生的巨大機(jī)械應(yīng)力。

“你可以把它想象成給氣球加壓?!彼f(shuō)。普通的超導(dǎo)體可以被設(shè)計(jì)成堅(jiān)固耐用的線圈,但高溫超導(dǎo)體是由一種相對(duì)脆弱的磁帶制成的。因此,CFS研究人員想出了一種設(shè)計(jì),在較強(qiáng)的金屬層之間夾薄磁帶。

在最近的測(cè)試中,新磁鐵產(chǎn)生了20特斯拉的磁場(chǎng),持續(xù)了約5小時(shí)。CFS研究人員表示,他們可以無(wú)限期地維持這個(gè)磁場(chǎng)。該公司表示,有了新磁鐵,它們已經(jīng)準(zhǔn)備好向下一個(gè)目標(biāo)進(jìn)發(fā):開(kāi)發(fā)一個(gè)名為SPARC的原型反應(yīng)堆,就像ITER一樣。

然而,一個(gè)磁鐵本身并不能構(gòu)成托卡馬克。去年,一份報(bào)告指出,要在2040年前實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電廠原型,該領(lǐng)域還必須克服許多其他技術(shù)挑戰(zhàn)。這包括能夠直面等離子體的熱量和中子轟擊的材料,以及從真空室排出熱氦的更好方案。(文樂(lè)樂(lè))

[ 責(zé)編:武玥彤]

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