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。

而在麻省理工学院,一个获投3千万美元的新研究项目正在酝酿,并致力于让核聚变技术实现普及。

该项目旨在建立世界首座真正意义上的聚变电站,这个电站200兆瓦的功率将足以与绝大多数现代商业电站相媲美。据介绍,聚变电站的建设迅速且低风险,能在15年内完成。

其中的关键一步就是要建立世界上最强大的超导电磁铁,超导电磁铁也是紧凑型聚变装置托卡马克的重要组件。用于制造超导磁铁的超导材料是一种涂覆有钇-钡-氧化铜(YBCO)复合材料的钢带。

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。

YBCO材料的最大优势是,它能极大降低建造净能量聚变装置所需要的成本、时间和组织复杂性,从而为人们提供接触聚变能的新方法。

 

SPARC托卡马克实验装置示意图

麻省理工学院与CFS预期在三年内完成超导电磁铁的研究,届时,他们会用这些超导磁铁设计并建设一个紧凑型聚变实验装置SPARC。

 

 

要知道,实现核聚变反应并不难,但目前聚变堆的最大问题是输入能量大于输出能量,也就是说为了实现聚变而耗费的能量要超过聚变反应所释放的能量。这是一种得不偿失的过程。

基于SPARC,科学家将能建设两倍大的新型核电站,它能在商业上实现净能量输出,并成为商业聚变堆设计与建设的最终示范。

该项目的另一层意义在于,它将成为大型国际合作项目ITER的补充研究。

 

国际热核聚变实验反应堆(ITER)项目

ITER是世界上最大的聚变实验装置,目前正在法国南部建造。如果顺利,ITER预计会在2035年输出聚变能。据哈特维希介绍,SPARC的输出功率是ITER的1/5,但它的尺寸却是ITER的1/65。

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。

这表明我国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面继续引领国际前沿。实验成果不仅可为未来国际热核聚变试验堆(ITER)长脉冲高约束运行提供重要的科学和实验支持,更为我国下一代聚变装置——中国聚变工程实验堆(CFETR)的预研、建设、运行和人才培养奠定了基础。相信中国也将在核聚变未来占据一席之地。