研究人員正在研究產(chǎn)生20特斯拉磁場的新磁鐵。圖片來源：GRETCHEN ERTL/CFS
由于一種新型超導(dǎo)磁體的出現(xiàn)，聚變能更接近現(xiàn)實(shí)了。日前，美國聯(lián)邦聚變系統(tǒng)（CFS）公司在線上新聞發(fā)布會(huì)上公布了這一長2米、寬1米的D型電磁鐵，并表示它產(chǎn)生的磁場大約是地球自然磁場的50萬倍，是任何類似超導(dǎo)磁鐵強(qiáng)度的2倍。研究人員表示，新磁體技術(shù)或能使他們?cè)?025年前建造一個(gè)小型的聚變發(fā)電廠原型。不過，在此之前，他們還必須克服多種其他技術(shù)挑戰(zhàn)。
2018年，CFS從麻省理工學(xué)院孵化，致力于開發(fā)由特殊高溫超導(dǎo)材料制成的磁體，這種材料可以產(chǎn)生強(qiáng)度是傳統(tǒng)超導(dǎo)磁體兩倍的磁場。
聚變反應(yīng)堆或托卡馬克，旨在捕獲氘和氚（氫的重同位素）的原子核聚變產(chǎn)生氦和高能中子時(shí)釋放的能量。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，托卡馬克依靠強(qiáng)磁場在圓環(huán)形真空室內(nèi)捕獲和擠壓超高溫電離氣體或等離子體。
不過，研究人員還沒有建造一個(gè)產(chǎn)能比耗能更多的托卡馬克，而且他們一直認(rèn)為反應(yīng)堆要很大才能實(shí)現(xiàn)“收支”平衡。例如，正在建設(shè)的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER，就有一個(gè)高11米、寬19米的真空室。
但CFS研究人員表示，有了高磁場的磁鐵，托卡馬克就可以大大縮小，因此會(huì)更便宜，也更容易建造。他們使用由高溫超導(dǎo)體稀土鋇銅氧化物組成的線圈制造所需的磁鐵，而不是鈮錫等普通超導(dǎo)金屬。當(dāng)超導(dǎo)體冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)，只要電流和磁場不太大，超導(dǎo)體就可以無電阻地傳輸電流。
麻省理工學(xué)院等離子體物理學(xué)家和工程師Brian LaBombard說，主要的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)一種磁體，它能承受磁場本身對(duì)載流線圈產(chǎn)生的巨大機(jī)械應(yīng)力。
“你可以把它想象成給氣球加壓。”他說。普通的超導(dǎo)體可以被設(shè)計(jì)成堅(jiān)固耐用的線圈，但高溫超導(dǎo)體是由一種相對(duì)脆弱的磁帶制成的。因此，CFS研究人員想出了一種設(shè)計(jì)，在較強(qiáng)的金屬層之間夾薄磁帶。
在最近的測試中，新磁鐵產(chǎn)生了20特斯拉的磁場，持續(xù)了約5小時(shí)。CFS研究人員表示，他們可以無限期地維持這個(gè)磁場。該公司表示，有了新磁鐵，它們已經(jīng)準(zhǔn)備好向下一個(gè)目標(biāo)進(jìn)發(fā)：開發(fā)一個(gè)名為SPARC的原型反應(yīng)堆，就像ITER一樣。
然而，一個(gè)磁鐵本身并不能構(gòu)成托卡馬克。去年，一份報(bào)告指出，要在2040年前實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電廠原型，該領(lǐng)域還必須克服許多其他技術(shù)挑戰(zhàn)。這包括能夠直面等離子體的熱量和中子轟擊的材料，以及從真空室排出熱氦的更好方案。（文樂樂）
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