麻省理工學院對高溫超導磁鐵的一項全面研究證實，它們符合低成本、緊湊型聚變發電廠的要求。
PSFC 和麻省理工學院衍生公司 Commonwealth Fusion Systems (CFS) 的研究人員撰寫的詳細報告發表在 IEEE 應用超導學報 3 月號特刊上的六篇同行評審文章合集中。
超導磁鐵是建造核融合反應器的重要元件，因為它們可以使過熱的氫等離子體集中並壓縮到獲得聚變本身所需的壓力。事實上，我們可以讓這些磁體在比接近絕對零度的溫度更高的溫度下工作（它們通常工作的溫度），這是一個非常重要的因素，為實踐中的核融合鋪平了道路。
這些文件共同描述了磁鐵的設計和製造以及評估其性能所需的診斷設備，以及從過程中學到的經驗教訓。總體而言，該團隊發現預測和電腦建模是正確的，並驗證了磁鐵獨特的設計元素可以作為聚變發電廠的基礎。
早在2021年9月5日，工程師們就在麻省理工學院等離子體科學與聚變中心（PSFC）的實驗室實現了一個重要的里程碑，一種由高溫超導材料製成的新型磁鐵的磁場強度達到了20特斯拉，大型磁鐵的世界紀錄。這是建造一座能夠產生淨能量的聚變發電廠所需的強度，並有可能迎來一個幾乎無限能源生產的時代。
該測試立即被宣布成功，滿足了為新型聚變裝置 SPARC 設計所製定的所有標準，磁鐵是該裝置的關鍵實現技術。為實現這一成就，疲憊不堪的實驗團隊長時間辛勤工作，香檳瓶塞爆開，慶祝他們的成就。
但這還不是審判的結束。在接下來的幾個月裡，團隊拆解並檢查了磁鐵的組件，檢查並分析了數百台記錄測試細節的儀器的數據，並對同一個磁鐵進行了另外兩次測試，最終將其推向極限以了解每個磁體的詳細資訊。可能的故障模式。
實現實用的聚變能源
磁鐵測試的成功，最近退休的 PSFC 主任、日立美國工程教授丹尼斯·懷特 (Dennis Whyte) 表示，「在我看來，磁體測試的成功是過去 30 年磁電機研究中最重要的事情。聚變」。
在 2021 年演示之前，現有的最好的超導磁鐵足夠強大，有可能實現聚變能，但其尺寸和成本永遠無法實用或經濟可行。然後，當測試證明這種強磁鐵在尺寸大幅減小的情況下的可行性時，透過核融合產生一瓦特的成本降低了 40 倍。經濟噩夢變成了夢想。
正如六篇新論文所述，PSFC 磁體測試的綜合數據和分析表明，新一代聚變裝置的計劃（由麻省理工學院和 CFS 設計的裝置，以及其他商業聚變公司設計的類似設計）正在製定中。建立在堅實的科學基礎上。
超導的突破
聚變是一種將輕原子結合成更重原子的過程，為太陽和恆星提供動力，但事實證明，在地球上利用這一過程是一項艱鉅的挑戰，需要數十年的辛勤工作，並在實驗設備上花費數十億美元。長期以來一直追求但從未實現的目標是建造一座產生的能量多於消耗的聚變發電廠。這樣的發電廠在運作過程中可以發電，不會排放溫室氣體，產生的放射性廢棄物也很少。聚變燃料是一種可以從海水中提取的氫，其儲量幾乎是無限的。
不幸的是，要使其發揮作用，需要將燃料壓縮到極高的溫度和壓力，並且由於沒有已知的材料可以承受這些溫度，因此燃料必須透過極其強大的磁場固定到位。需要超導磁鐵來產生如此強的磁場，但所有先前的聚變磁鐵都是由超導材料製成，需要比絕對零度（4 開爾文，或攝氏 -270° 攝氏度）高出約 4° 的冷凍溫度。
近年來，一種名為REBCO（稀土氧化鋇銅）的新型材料已被添加到熔煉磁鐵中，使它們能夠在20 開爾文的溫度下運行，儘管該溫度比16 開爾文高，但在材料方面具有顯著的優勢特性和實際工程。
為了利用這種新型高溫超導材料，僅僅取代現有的磁鐵設計是不夠的。相反，「這是對幾乎所有用於製造超導磁體的原理的重新設計，」懷特說。新的 REBCO 材料「與上一代超導體截然不同。這不僅僅是適應和替換，而是從頭開始創新。”在《應用超導學報》上發表的新論文描述了專利保護生效後重新設計過程的細節。
球形託卡馬克可以從新型超導磁鐵中受益匪淺
關鍵創新：無隔熱層
一項重大創新是消除了形成磁體的薄而扁平的超導帶周圍的絕緣層，這讓業內許多其他人對其成功機會持懷疑態度。與幾乎所有電線一樣，傳統的超導磁鐵完全受到絕緣材料的保護，以防止電線之間發生短路。然而，在新的磁鐵中，絲帶完全沒有被覆蓋。工程師依靠 REBCO 增強的電導率來維持流經材料的電流。由於電阻較低，電流流過 REBCO 磁帶，因此無需將 REBCO 磁帶彼此隔離。
能夠避免絕緣層的事實意味著，透過交替導電和絕緣材料層獲得的普通磁鐵結構可以獲得令人難以置信的簡化和減輕，從而獲得更強大且重量更輕的磁鐵。然而，這是一個新的且具有潛在危險的程序，必須仔細測試。
該磁鐵陣列是 SPARC 聚變裝置圓環形室的磁鐵陣列的略微縮小版本，目前正在馬薩諸塞州德文斯的 CFS 建造。它由 16 個稱為薄餅的板組成，每塊板的一側都有螺旋纏繞的超導帶，另一側有氦氣冷卻通道。
將自己推向極限…並超越
先前的文章中描述的初步測試表明，設計和製造過程不僅有效，而且非常穩定——一些研究人員對此表示懷疑。接下來的兩項測試也在 2021 年底進行，透過故意創造不穩定的條件（包括完全關閉可能導致災難性過熱的輸入電源），將該設備推向極限。這被稱為淬火，被認為是這些磁鐵運作的最壞情況，有可能損壞設備。
即使在這項測試中，模擬構成整個線圈的 16 塊磁鐵之一的熔化，該磁鐵仍能繼續正常工作，並且中斷不會導致整個線圈的內爆，從而將損壞保持在受控範圍內。並且水平有限。
這項測試極為重要，因為它可以確保即使在各種 REBCO 磁帶之一出現異常的情況下，也不會發生創傷性事件。這些實驗的實現使得麻省理工學院聲稱在2030年擁有商業核融合實驗設施成為現實。
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REBCO 和 MIT 超導磁體使商業核融合在 2030 年成為現實一文來自《經濟情境》 。
這是在 Wed, 06 Mar 2024 10:00:40 +0000 在 https://scenarieconomici.it/i-magneti-superconduttori-rebco-el-mit-rendono-realistica-la-fusione-nucleare-commerciale-entro-il-2030/ 的報紙 “Scenari Economici” 上發表的文章的翻譯。