无限能源时代到来?美国研制最强超导磁体,建全球首个核聚变电站

2020-07-09 11:14 admin

几十年来,能源危机一直是萦绕在人类心头最为致命的梦靥之一,而截至目前最有希望为我们获取“无限”清洁能源的技术仍然是原子聚变。近日,美国麻省理工学院(MIT)宣布正在研制一款全世界功能最强大的超导磁体,不久后会建立全球首个核聚变发电站,让无限能源时代离我们更进一步!

与当今已有的核电站不同,核电站的原理是原子核裂变释放核能产电,主要应用铀等放射性元素。而核聚变发电则是通过将两个轻质量原子融合为一个原子来产生能量,这与在恒星(太阳)内部发生的反应相同。聚变产生的热量可能达到好几亿摄氏度,如果可以利用,这些被释放出的大量热量完全可以转化为“取之不尽”的电力供人类使用。

自20世纪40年代以来,全球科学家一直致力于研发核聚变反应堆。但到目前为止,经过无数次的实验都难以达到令人满意的预期效果。其中最大的难题之一就是难以找到一种可以承受上亿摄氏度的装置来作核聚变反应的容器。

托卡马克,一种用于核聚变反应堆的最有前景的设计之一,它利用强大磁约束来实现可控核聚变的环形容器。可以产生巨大的磁场以将由核聚变产生的高温等离子体限制在环形磁场内,这样就解决了反应容器的难题。

MIT的科学家计划建造一个紧凑型的托卡马克装置,被称为SPARC。它能够产生100MW(兆瓦)的热量,但这些热量不会直接转化为电力输送至千家万户,而是用于为中小型城市提供足够功率的10秒脉冲,并且是加热等离子体所需功率的两倍多。这一装置无疑达到了建造200MW容量原型全尺寸核聚变反应堆所需的技术里程碑。

建造这种紧凑型托卡马克的关键技术便是研发出世界上最强大的超导磁体。2013年,科学家发现用红外激光脉冲持续照射钇钡铜氧化物(YBCO)材料时,它会在室温下短暂地表现出超导性。据实验数据,YBCO制造的超导磁体形成的磁场强度将是迄今最大规模核融合实验所用磁场强度的10倍!

此外,YBCO材料还可以大大降低建造托卡马克装置的成本、时间和复杂程度,使其更加接近实用水平。麻省理工学院等离子体科学与聚变中心主任Dennis Whyte表示,研究人员目前打算花3年时间来制造SPARC所需的大型磁体。

目前,麻省理工学院已获得了3000万美元的资助来实现这一目标,并将与Commonwealth Fusion Systems公司合作在未来15年建立起全球首个核聚变发电站。

在可控核聚变领域耀眼的不止美国。由我国中科院等离子体物理研究所承担的EAST先进全超导托卡马克实验装置(人造太阳)近年来也频频取得突破,是世界上第一个实现稳态高约束模运行持续时间达到分钟级的核聚变装置。相信也将在核聚变未来占据一席之地。