为加速核融合技术发展,实现稳定供电的零碳能源,最近美国麻省理工学院与新创 Commonwealth Fusion Systems(CFS)携手研发全新的“超导磁铁”,为同类产品中性能最为强大的磁铁,磁力强度破纪录达到 20 特士拉(tesla)。
美国麻省理工学院研发核融合不遗余力,该团队在 2015 年推出实验性核融合反应炉结构,是种直径 3.3 米、圆环型的托卡马克技术,并称之为 ARC(更进步、强大与小型;for advanced, robust, and compact),而现在麻省理工学院团队将与 CFS 开发 ARC 演示装置 SPARC,计划于 2025 年完成。
核融合技术主要是利用氘与氚原子在高温高压下的融合反应来产生能量,如何加以控制产生的电浆或电离气体,需要强大的磁铁,因此无论是在德国 Wendelstein 7-X 的仿星器(stellarator)、还是托卡马克的甜甜圈环形线圈,都是用磁场来约束核融合电浆。
ARC 希望透过高温超导体(HTS),在更小的空间获得更强大的磁场,为此麻省理工学院与 CFS 也开发出全新的超强磁铁。
团队最终成品是使用 267 公里的超导带、形成由 16 片板子堆叠起来的磁铁,并放置在一个 D 形壳内,一旦磁铁冷却到零下 253.15 °C 左右,就具有超导特性并能产生强大的磁场。在测试中,团队逐步提高超导磁体强度,最终磁力强度更破纪录达到 20 特士拉,一般 MRI 临床诊断使用顶多 3 特士拉而已,这是核融合磁铁有史以来最好的成绩。
CFS 营运负责人 Joy Dunn 表示,我们已经打造第一款超导磁铁,这背后需要独特的制造过程与设备,因此为了在 SPARC 演示技术,已经准备完全。团队已从一个物理模型、电脑辅助设计,一步步透过大量开发与原型测试,让纸上设计变成实际且可行的物理磁铁。
麻省理工学院电浆科学和核融合中心(PSFC)资深研究科学家 Martin Greenwald 表示,我们填补传统电浆物理学与传统托卡马克技术中的缝隙,带来新的磁铁技术,因此我们并不是在截然不同的领域创新。
团队认为,虽然现阶段的核融合技术,大多都无法证明其能量可以抵销掉所需能源,若能实现“损益两平”就是一大里程碑了,希望未来可借由新型强大磁铁,虽短与这个目标的距离。
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(首图来源:麻省理工学院)