无限清洁能源的未来将至？MIT超导磁体产生创纪录磁场强度，成本低至1_40，核聚变商用成为可能
摘要：
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每经 蔡鼎 每经编辑：兰素英
近日，美国麻省理工学院（简称MIT）等离子体科学与核聚变中心以及英联邦聚变系统公司（简称CFS）的研究团队发布论文称，他们所研发的一种新型高温超导磁体的磁场强度据称达到了20特斯拉，创下了世界纪录。（注：特斯拉是磁通量密度或磁感应强度的国际单位制导出单位。）
20特斯拉的强度正是建造核聚变发电厂所需的磁场强度，有望产生净输出功率，并有可能开创一个几乎无限发电的时代。
更值得期待的是，据刚卸任MIT等离子体科学与聚变中心主任的Dennis Whyte透露，“MIT团队将聚变反应堆的每瓦特成本几乎降低到了1/40，让核聚变技术在商用成为了可能。这是过去30年来核聚变研究中最重要的事情。”
这预示着核聚变有望很快从一个实验室中的科学研究项目，成为可以商业化的技术，可以为全球提供无限的清洁能源。
MIT重大突破：超导磁体磁场强度达20特斯拉，创世界纪录
当地时间3月6日，美国麻省理工学院（简称MIT）等离子体科学与核聚变中心以及英联邦聚变系统公司（简称CFS）的研究人员撰写了一份详细的报告，介绍了团队大约3年前实现的一个重大突破。
2021年9月5日，MIT等离子体科学与核聚变中心的研究人员发现，一种由高温超导材料制成的新型磁体实现了20特斯拉的磁场强度，创下世界纪录。
《每日经济 》记者注意到，20特斯拉的强度正是建造核聚变发电厂所需的磁场强度，有望产生净输出功率，并有可能开创一个几乎无限发电的时代。
图片来源：MIT News
这种磁体所用的材料名为REBCO（Rare Earth Barium Copper Oxide，稀土钡铜氧化物），可以在20开尔文的温度下工作，无需在导体绕组之间进行复杂的绝缘处理。与其他基于超导体的磁体相比，REBCO磁体所需的绝缘材料更少，而且，REBCO磁体是裸露的，因此具有更强的导电性。这不仅可以简化材料的制造过程，还可以让超导带实现更为紧密的排列，提高磁场强度和密度，更可以让冷却装置直接接触超导带，提高冷却效率。
MIT团队随后宣布了试验的成功，称达到了设计新型核聚变装置（被称为SPARC）的所有标准。
但试验的成功，并不是研究的终点。在随后的几个月里，团队拆解并检查了磁体的各个部件，仔细研究并分析了数百台记录测试细节的仪器所提供的数据。他们还在同一块磁铁上进行了两次测试，通过故意制造不稳定条件（包括完全关闭冷却装置电源等），将设备的运转条件推向了极限，以验证超导磁体是否能在各种极限场景下稳定工作。
结果发现，在人为制造的不稳定条件下，磁体线圈的受损部分只占线圈总体积的百分之几。这与REBCO对绝缘材料的更低需求以及裸露的特性有关——潜在的过热会更加均匀地分布在整个磁体，有助于防止局部损伤，增强磁体的整体稳定性和安全性。根据这个结果，研究人员对整体设计进行了修改，预计即使在最极端的条件下，也能防止实际核聚变装置的磁体出现这种规模的损坏。
值得一提的是，基于这一重大发现，该团队的实用型聚变反应堆（Practical Fusion Reactors）还入选了2022年《麻省理工科技评论》的“全球十大突破性技术”。
成本低至1/40，核聚变商用成为可能
有关MIT实验的报告发表在IEEE应用超导学报3月特刊的6篇经过同行评审的论文中，论文介绍了磁体的设计和制造、评估其性能所需的诊断设备，以及从试验过程中吸取的经验教训。
不久前刚卸任MIT等离子体科学与聚变中心主任的Dennis Whyte表示，“一夜之间，MIT团队将聚变反应堆的每瓦特成本几乎降低到了1/40，让核聚变技术商用成为可能。在我看来，这是过去30年来核聚变研究中最重要的事情。”
“现在核聚变有了机会。”Whyte说道。“托卡马克是目前使用最广泛的聚变实验装置设计。在我看来，托卡马克有机会变得经济实惠，因为在已知的约束物理规则下，我们可以大幅减小实现聚变所需装置的体积和成本，这是一个质的飞跃。”
该团队的超导磁体也构成了CFS正在建造的SPARC核聚变装置的甜甜圈形腔体。这个腔体由16块被称为“薄饼”的板块组成，每块板块的一侧都缠绕着螺旋形的超导带，另一侧则是氦气冷却通道。
核聚变是将轻原子结合形成更重原子的核反应试验过程，为太阳和恒星提供能量。但在地球上利用这一过程是一项艰巨的挑战。长期以来，人类追求的目标是建造一座核聚变发电厂。科学家希望利用核聚变产生的能量来创造一种清洁能源，以取代化石燃料和危险的核裂变操作。
需要指出的是，核聚变发电厂可以实现在运行过程中几乎不排放温室气体，产生的放射性废物也很少。而且，核聚变的燃料是一种可以海水中提取的氢，几乎是无限的。
然而，要建造这样的核聚变发电厂，需要在极高的温度和压力下压缩燃料，由于目前没有任何已知材料能够承受这样的温度，因此必须利用极其强大的磁场来约束燃料。若想产生如此强大的磁场需要超导磁体，但之前所有的核聚变磁体都是用超导材料制造的，这种材料需要绝对零度以上约4开尔文的温度。
而REBCO这种新型材料可以让核聚变磁体在20开尔文的温度下工作，在材料特性和实际工程方面有着显著的优势。Dennis Whyte认为，这种材料是对几乎所有用于制造超导磁体的原理的重新设计。如果采用这种全新的高温超导材料进行制造超导磁体，不仅仅是在前人的基础上进行改良，而是需要从头开始创新和研发。
每日经济
