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2025年启动!美初创公司正开发20特斯拉的高温超导磁体,打造“超能”反应堆

Evelyn Zhang

一家追求从太阳能的核聚变(fusion)中获得充足、安全、无碳电力的初创公司,已经确定了建造紧凑反应堆的地点、时间表和关键技术。

已经成立3年的美国新能源初创——联邦聚变系统公司(Commonwealth Fusion Systems,CFS)日前宣布,今年晚些时候,它将与麻省理工学院合作,开始在马萨诸塞州德文斯的一个新工厂中建造第一个试验反应堆,命名为SPARC。

物理

该公司表示,这是世界上第一台产生等离子体的聚变设备,其产生的能量超过其消耗的能量,从而成为第一台净能量融合机器,最快可在2025年启动。

Commonwealth Fusion Systems与一家英国竞争对手选择了认为会让他们“站在巨人肩膀上”的技术,这些巨头包括——法国基于政府资助的ITER在建反应堆项目,以及美国能源部正在考虑的项目。

这两家公司的技术,将采用小而强大的磁铁,由高温超导体制成。其中,Commonwealth Fusion Systems正在组装第一块几乎全尺寸的磁铁,并希望在6月进行测试。

聚变反应堆燃烧氢同位素的电离气体的温度超过了1亿℃——如此之高,以至于等离子体必须被一个网状的磁场所控制,这样它就不会熔化反应堆壁。

在ITER核反应堆中,使用铌合金超导导线,可以在没有电阻的情况下通过磁铁线圈传输巨大电流,从而获得足够强的磁场。但是这种低温超导体,必须冷却到绝对零度以上4度,这就需要庞大而昂贵的液氦冷却。而且铌线所能承载的电流,也有一定的限制,这迫使ITER不得不采用具有许多线匝的巨型磁铁,来产生所需的磁场。ITER最大的磁铁直径为24米,这也使该反应堆的造价达到了200亿美元。

要克服和超越这些挑战,就要有新的思路和做法:

一种新型的高温超导体(HTS)达到了工业成熟——稀土钡氧化铜(REBCO)。它们能在相对温和的超过77开尔文的液氮温度下进行超导——在ITER设计之初,这种超导体还并不存在。但它们可以携带更大的电流,这让核聚变设计者对更小、更便宜的反应堆的前景充满期待。然而,它们是易碎、易碎的材料,所以克服这一瓶颈也就尤为关键。英国初创企业托卡马克能源公司(Tokamak Energy)的罗德·贝特曼(Rod Bateman)表示,“它们目前太不可靠了。”据悉,该公司也在押注于这项技术。

在过去的十年里,研究人员已经开发出在金属胶带上沉积超导稀土钡氧化铜(ReBCO)薄层的方法。磁带可以可靠地长时间制造,在10k左右性能最好。但就低温工程而言,“10k比4k容易得多,”圣地亚哥通用原子公司(General Atomics)的磁铁工程师约翰·史密斯(John Smith)说。

ReBCO超导磁带可以弯曲,但由于是平的,很难缠绕成线圈。幸运的是,Commonwealth Fusion Systems已经开发了一种由多层超导磁带缠绕而成的电缆,就像甘蔗糖的条纹一样扭曲。该公司认为,这种电缆可以携带足够的电流,在几米宽的磁铁线圈中产生20特斯拉的磁场,强度是ITER的1.5倍。托卡马克能源公司则采用了一种更简单、更紧凑的方法:将线圈平铺在胶带上,一层接着一层,就像一卷透明胶带一样。贝特曼说:“它让缠绕变得简单多了。”

两家公司面临的另一个挑战是供应问题。ReBCO超导磁带制造商每年总共只生产几百千米长的产品,而Commonwealth Fusion Systems就需要500千米来建造第一块测试磁铁。贝特曼说:“制造商正在疯狂地扩大规模。”“聚变是高温超导体一直等待的市场。”

未来几个月对两家公司来说至关重要。经过多年的建模和实验,他们两家都在构建测试磁体,以展示一个小型设备所需的20特斯拉磁场。联邦政府正在缠绕一个2.5米高的D型磁铁,比SPARC计划的要小一些。尽管如此,当6月份完工时,它将成为有史以来最大的高温超导磁体。

托卡马克能源公司(Tokamak Energy)希望在对一套16个线圈的测试中获得类似的场强。贝特曼说,该公司将在未来几周内开始缠绕磁铁,并希望在年底对其进行测试。如果成功,该公司将着手建造一个示范反应堆ST-F1,计划于2027年建成。

核聚变领域的研究并不少,但如果高温超导磁体真的能达到20特斯拉,“这将是对这项技术的一大突破性验证。”

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:https://www.sciencemag.org/news/2021/03/fusion-startup-plans-reactor-small-powerful-superconducting-magnets


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