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麻省理工研发出新型超导材料可用于核聚变反应堆

2016-05-16 10:07:48     来源: 贤集网

麻省理工研发出新型超导材料可用于核聚变反应堆

    麻省理工学院的科学家们表示,他们已经设计出一种新型核聚变反应堆,而且不超过十年就可实现商业规模应用。


    这个反应堆设计被命名为“ARC”,与现行最大的核聚变反应堆计划ITER的原理一致,也是一种托卡马克式装置,不过比前者装置尺寸更小,但是可以产生同等数量的能量,颇有点像钢铁侠所使用的反应堆。

麻省理工研发出新型超导材料可用于核聚变反应堆

ARC示意图

    核聚变是氢的两个同位素氘、氚碰撞形成一个原子核,反应过程造成了质量损失,转化为能量释放出来。太阳能就是太阳发生核聚变释放的能量。清洁、原料充足,让核聚变成为了科学家眼中的理想能源。目前实现利用核聚变能的一个途径是可控热核聚变反应。要实现反应,离子必须加热到上亿度以上,显然这已经不是任何固体物质所能承载得了了。所以科学家想到了用托卡马克装置。


    托卡马克装置有点像一个大甜甜圈,依靠线圈所产生的超强磁场,高能离子被约束在环形圈中。而且,磁场的大小与核聚变的能量息息相关。科学家们透露,磁场与核聚变能量程四次方的比例增长,意味着磁场达到2倍,核聚变能量将增至16倍。要达到高磁场,普通材料已经力有不逮,只能使用超导材料。所以,超导材料在托卡马克装置中扮演了重要角色。


    而据麻省理工学院科学家们表示,ARC的创新点之一在于使用了与其他托卡马克装置所不同的超导材料——稀土钡铜氧超导带。这种超导带可以让反应堆产生更大的磁场。参与此项目的MIT博士研究生Brandon Sorbom介绍:“磁场细微的提升,都会带来巨大的改变。”虽然,ARC不能实现磁场翻一番,但足以将目前标准超导技术实现的核聚变能量提高到10倍。正因如此,麻省理工学院才能实现聚变反应堆小型化、低造价、易制造。

麻省理工研发出新型超导材料可用于核聚变反应堆

Brandon Sorbom,左手拿的是稀土钡铜氧超导材料

    目前,全球最大的可控核聚变计划是国际热核聚变实验堆计划(简称ITER)。ITER由中、欧盟、美、印、日、韩等国共同完成,第一个实验堆已在法国建造,预计耗资将超过400亿美元。ITER有18个纵场线圈和6个中心螺线管线圈,采用的Nb3Sn超导材料,以及6个极向场线圈、18个校正场线圈,采用的是NbTi超导材料。


    ARC最大半径3.3米,最小半径1.1米,是个500MW的反应堆,比起ITER反应堆来十足是个小不点。但研究者们预计ARC可以以极低的代价获得与之相当的能量。


    核聚变还有一个重要的指标:反应释放的能量要超过燃料吸收的能量,也就是燃料增益。目前还未有反应堆能够做到这一点。而研究者们表示,ARC产生的能量已经比维持运行所需的能量的三倍,预计通过优化设计,这个比例可以达到五到六倍。


    研究团队表示,这个反应堆可为10万人提供日常电能。只需五年内,将有大小和复杂度近似的装置面世。


    不过,有一些科学家质疑这个“令人振奋”的消息:即使在实验室测试中证实了反应堆产能能量是维持运行的三倍,还需要在实际反应堆中可以重复才行。此外,所谓的极低成本,其实是相比与ITER成本的90%,这一切不过是由于尺寸比之较小而已。至少在现在看来,一切都只是“纸上谈兵”。


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