【新智元導讀】人類離摘下清潔能源聖杯的終點又進一步！MIT在三年前開啟的實驗再次得到證實——高溫超導磁體或將開啟無限發電的時代。
清潔能源的聖杯，被攻下了？
「一夜之間，MIT團隊將聚變反應堆的每瓦特成本幾乎降低到了1/40，讓核聚變技術在商用成為了可能」！
最近，MIT等離子體科學與核聚變中心以及英聯邦聚變系統（CFS）發表了一篇綜合報告。
這份報告援引在「IEEE應用超導會刊」3月份特刊上6篇獨立研究的論文，證明了：
MIT在2021年實驗中採用「高溫超導磁體」以及無絕緣的設計，是完全可行且可靠的。
同時還驗證了，團隊在實驗中使用的獨特超導磁體，足以作為核聚變發電廠的基礎。
這預示着「核聚變」從一個實驗室中的科學研究項目，即將成為可以商業化的技術。
論文地址：
https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=10348035&punumber=77
而這一切都要從2021年MIT那次創下世界記錄的核聚變實驗說起。
「超導磁體」創磁場強度世界紀錄
2021年9月5日凌晨，在麻省理工學院等離子體科學與核聚變中心（PSFC）的實驗室，工程師們實現了一個重大里程碑——
一種由「高溫超導材料」製成的新型磁體，達到了20 tesla的大規模磁場強度的世界紀錄。
要知道，20 tesla正是建造核聚變發電廠所需的磁場強度。
科學家們預測，它有望產生淨功率輸出，並有可能開創一個幾乎無限的發電時代。
試驗證明是成功的，同時滿足了為設計新的聚變裝置（被稱為SPARC，磁體是其關鍵的使能技術）而設定的所有標準。
疲憊不堪的工程師們打開香檳，慶祝已取得令人驕傲的成就。他們為此，付出了漫長而艱辛的努力。
但是科學家們並沒有就此停下他們手頭的工作。
接下來的幾個月里，團隊拆解和檢查了磁體的部件，仔細研究和分析了來自數百台記錄測試細節的儀器的數據。
他們還在同一塊磁體上進行了另外兩次測試，最終將其進行了極限測試，以了解任何可能的失敗模式的細節。
為的就是進一步驗證他們實驗中的超導磁體是否能在各種極限場景下都能穩定工作。
一個團隊將磁體放入低溫恆溫器容器中
核聚變發電，成本降低40倍
最近卸任PSFC主任的日立美國工程學教授Dennis Whyte表示，「在我看來，磁體的成功測試是在過去30年的聚變研究中最重要的事情」。
正如實驗結果顯示，現有的超導磁體足夠強大，有可能實現聚變能源。
而唯一的缺點是，因其體積和成本巨大，永遠不可能推廣實用，或在經濟上可行。
隨後，研究人員進行的測試表明，如此強大的磁體在體積大大縮小的情況下，仍具有實用性。
「一夜之間，聚變反應堆的每瓦成本在一天之內就降低了近40倍」。
現在核聚變有了機會。「托卡馬克」是目前使用最廣泛的聚變實驗裝置設計。
「在我看來，托卡馬克有機會變得有機會變得經濟實惠，因為在已知的約束物理規則下，我們可以大幅減小實現聚變所需裝置的體積和成本，這是一個質的飛躍」。
六篇論文詳細介紹了MIT磁體測試的全面的數據。
然後通過分析表明，由麻省理工學院和CFS設計的新一代核聚變設備，以及其他商業聚變公司的類似設計，在科學上是完全行得通的。
是核聚變，更是超導的突破
核聚變，是輕原子結合成重原子的過程，為太陽和恆星提供能量。
但事實證明，在地球上利用這一過程是一項艱巨的挑戰。
幾十年來，人們在實驗裝置研究上付出了巨大的努力，甚至花費了數十億美元。
人們都在追求卻從未實現的目標是：建造一座產生的能量超過消耗的聚變發電廠。
這樣的發電廠在運行過程中，可以在不排放溫室氣體的情況下發電，同時不會產生大量放射性廢料。
而核聚變的燃料，來自從海水中提取的氫，幾乎是無窮無盡的。
但是，核聚變實現成功的條件，就必須在極高的溫度和壓力下對燃料進行壓縮。
由於目前沒有任何已知材料能夠承受這樣的溫度，因此必須利用極其強大的磁場來約束燃料。
若想產生如此強大的磁場需要「超導磁體」，但之前所有的核聚變磁體都是用超導材料製造的，這種材料需要絕對零度以上約4度（4 kelvins，即-270攝氏度）的低溫。
最近幾年，一種被稱為 REBCO（稀土鋇銅氧化物）的新型材料，開始被用於核聚變磁體中。
它可以讓核聚變磁體在20 kelvins的溫度下工作，儘管比4 kelvins僅高出16 kelvins，但在材料特性和實際工程方面卻有着顯著優勢。
新型高溫超導材料，是對幾乎所有用於製造超導磁體的原理的重新設計。
如果採用這種全新的高溫超導材料進行製造超導磁體，不僅僅是在前人的基礎上進行改良，而是需要從頭開始創新和研發。
「Transactions on Applied Superconductivity」雜誌上的新論文描述了這一重新設計過程的細節，而且專利保護已經到位。
為了能夠充分利用REBCO，研究人員重新設計了一種基於TSTC架構的工業可擴展大電流的「VIPER REBCO」電纜。
VIPER REBCO電纜具有這幾個明顯的優點：
-具有不到5%的穩定電流退化。
-在2-5nΩ範圍內具有堅固的可拆卸接頭；
-首次能在適合REBCO低正常區域傳播速度的聚變相關條件下在全尺寸導體上進行兩種不同的線纜淬火測試。
關鍵創新：無絕緣層設計
而在這個超導磁體中另一項讓人匪夷所思的設計，是移除了薄而扁平的磁體超導帶周圍的絕緣體。
在傳統的設計中，超導磁體周圍要由絕緣材料進行保護，以防止短路。
而在這個新的超導磁體中，超導帶完全是裸露的。
科學家們依靠REBCO更強的導電性來保持電流準確地通過材料。
負責開發超導磁體的MIT核科學與工程系Zach Hartwig教授說：「當我們在2018年開始這個項目時，利用高溫超導體建造大規模高場磁體的技術還處於很早期的階段，只能進行小型的實驗。」
「我們的磁體研發項目在這個規模基礎上，很短的時間內完成了全規模磁體的研發。」
團隊最後製造了一個接近10噸的磁體，產生了高於20特斯拉，穩定且均勻的磁場。
「製造這些磁體的標準方法是將導體纏繞在繞組上，在繞組之間設置絕緣層，你需要絕緣層來處理意外情況（如停機）時產生的高電壓」。
「去掉這層絕緣層的好處在於它是一個低壓系統。它大大簡化了製造工藝和進度」。
這也為冷卻或更多的強度結構留出了充足的空間。
磁體組件的尺寸略小，它構成了 CFS正在建造的SPARC核聚變裝置的甜甜圈形腔體。
這個腔體由16塊被稱為「薄餅」的板塊組成，每塊板塊的一側都纏繞着螺旋形的超導帶，另一側則是氦氣冷卻通道。
「但是，無絕緣層設計在大多數人眼裏風險是很大的，而且就算測試階段也有很大的風險」。
教授表示，「這是第一塊規模足夠大的磁體，探究了使用這種無絕緣層無扭轉技術設計、製造和測試磁體所涉及的問題」。
「當團隊宣佈這是一個無絕緣層線圈時，整個社區都感到非常驚訝」。
極限測試已完成，大規模商用即將到來？
在之前的論文中描述的首次實驗已經證明，這樣的設計和製造工藝不僅可行，而且非常穩定，雖然一些研究人員曾對此表示懷疑。
接下來的兩次測試也是在2021年底進行的，通過故意製造不穩定條件，包括完全關閉輸入電源，將設備的運轉條件推向了極限，這可能會導致災難性的過熱。
這種情況被稱為「淬火」，被認為是此類磁體運行過程中可能出現的最壞情況，有可能直接摧毀設備。
Hartwig說，測試計劃的部分任務是「實際去故意淬火一個全尺寸的磁體，這樣我們就能在合適的規模和合適的條件下獲得關鍵數據，以推動科學發展，驗證設計代碼」。
「然後拆開磁體，看看哪裏出了問題，為什麼會出問題，以及我們如何進行下一次疊代來解決這個問題......最終結果證明這是一次非常成功的試驗。」
Hartwig說，最後的測試以融化了16塊「薄餅」中的一個角而告終，但卻產生了大量的新信息。
首先，他們一直在使用幾種不同的計算模型來設計和預測磁體各方面的性能，在大多數情況下，這些模型在總體預測上都是一致的，並通過一系列測試和實際測量得到了很好的驗證。
但在預測「淬火」效果時，模型的預測結果出現了偏差，因此有必要獲取實驗數據來評估模型的有效性。
研究人員開發的模型幾乎準確地預測了磁體的升溫方式、開始淬火時的升溫程度以及由此對磁體造成的損壞程度。
實驗準確地描述了正在發生的物理現象，並讓科學家們明白了哪些模型在未來是有用的，哪些模型並不準確。
科學家們在測試了線圈各個方面的性能之後，還故意對線圈做了最糟糕的模擬。
結果發現，線圈的受損的面積只佔線圈體積的百分之幾。
根據這個結果，他們對設計繼續進行了修改，預計即使在最極端的條件下，也能防止實際核聚變裝置的磁體出現這種規模的損壞。
Hartwig教授強調說，團隊之所以能夠完成這樣一項創紀錄的全新磁體設計，並在第一時間以極快的速度完成，主要得益於阿爾卡特C-Mod托卡馬克、弗朗西斯-比特磁體實驗室以及PSFC開展的其他工作數十年來積累的深厚知識、專業技能和設備。
未來，實驗還將持續推進下去，以實現清潔電力的大規模商用。
參考資料：
https://news.mit.edu/2024/tests-show-high-temperature-superconducting-magnets-fusion-ready-0304
