MIT 研发高温超导磁铁，为核融合能源开辟道路

EET 电子工程专辑 2021-12-20 12:30

美国新创公司Commonwealth Fusion Systems (CFS)和麻省理工学院(MIT)的电浆科学与融合中心(Plasma Science and Fusion Center)宣布，他们已成功测试一个高温超导磁铁。MIT研究人员和CFS指出，测试出的20-tesla磁场强度，是目前地球上所能产出的最强的磁场，这也为首座核融合发电厂的建设开辟了一条道路。

磁铁设计是创造核融合所需条件中最重要的挑战之一。MIT与CFS的研究人员指出，要打造并局限电浆以产生比所消耗更多的能源，利用该团队所开发的磁铁技术就可能实现。

“MIT和CFS独特的伙伴和合作关系，让我们能够敏捷且快速地设计、制造并测试这种磁铁；”MIT电浆科学与融合中心主任Dennis Whyte在一场记者会上表示：“我们能够利用每个组织的优点建立一个团队，在因为气候危机带来的时间压力下提供这项技术。”

不可否认，核融合技术的门坎非常高。如果MIT的技术能获得证实，可望成为一种零排碳、无限的能源，也会是MIT一个名为“SPARC”的高磁场核融合能源实验项目很重要的里程碑。SPARC尝试实现至少2的融合增益(fusion gain)──又称为Q-因子(Q-factor)，这意味着产生的核融合能量是用以维持融合反应所需能量的两倍。一套示范性设备预计于2025年完成。

MIT的高温超导磁铁研发项目。

(图片来源：MIT)

MIT Research副总裁Maria Zuper表示：“我们的目标基本上是建造一座像是小型高中体育场大小的发电厂，能产出和燃煤发电厂一样的发电量而且零碳排。将使用的燃料是氢，来自于水，因此我们将有取之不尽的供应来源。”

磁场

核融合是太阳产生能量的过程。在一个核融合反应当中，两个轻核(light nuclei)合并成单一个较重的核子就会释出能量，这是因为所形成的单一核子总质量小于两个原始核子的质量，而剩余的质量就会变成能量。

一个磁场可以将质子与电子或电浆的结合限制住，就像一个看不见的“斗篷”；该磁场对带电粒子有显著的控制作用。一种被称之为“托克玛克”(tokamak)的甜甜圈形状结构，是最常见的核融合反应炉磁局限设计。

目前有超过150座托克玛克反应炉设备被打造出来且在运作中，每一套设备都是透过接近核融合点(fusion point)来展示其功能性，不过大多数设备都是利用铜电磁铁(copper electromagnets)来产生磁场，法国的国际热核融合实验反应炉(ITER)设计则是利用所谓的低温超导体技术。

研究人员表示，MIT与CEF的核融合成果有一个关键的优势，就是透过使用高温超导体能产生相当强的磁场，并能让托克玛克设备的尺寸更小。该成果是透过利用一种新的超导材料来实现的，即一种在开氏温度20度(20 degrees Kelvin)下运作的稀土钡铜氧化物(rare-earth barium copper oxide，ReBCO)。

带状(ribbon-shaped)的ReBCO在几年前才实现商业化应用，这种新高温超导磁铁的应用，得益于过去几十年以托克玛克实验取得的结果。

磁铁设计

新磁铁的研发以及供应链、制程的发展需要花费三年的时间。研究人员指出，有大量的产品原型透过实体模型和CAD设计产出。

该种新磁铁会经过一连串的步骤逐渐地充电，直到维持在20 tesla的磁场。研究人员表示，这是目前“透过高温超导融合磁铁所能达到的最大磁场强度，”为了创造一个强大的磁场，这种材料必须容纳于一个强大的金属结构中。

新磁铁的规模和性能类似于MIT在2016年所完成的Alcator C-Mod核融合反应炉实验，该实验使用非超导体电磁铁。“两者在能源消耗上的差异相当显著；”Whyte表示：“因为Alcator C-Mod实验是用一个普通的铜导电磁铁，大约消耗200百万瓦(million watts )的能源，已产生局限的磁场。”