長期以來，科學(xué)家一直在尋求利用聚變作為一種取之不盡，用之不竭的無碳能源。在過去的幾年中，突破性的高溫超導(dǎo)體技術(shù)(HTS)激發(fā)了實(shí)現(xiàn)實(shí)用聚變能的新視野。這種方法被稱為融合的高場途徑，旨在以比其他方法更短的時(shí)間尺度和更低的成本在緊湊型設(shè)備中產(chǎn)生融合。
然而，實(shí)現(xiàn)這一愿景的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)是讓HTS超導(dǎo)體以綜合方式開發(fā)新型高性能超導(dǎo)磁體，這將使磁場高于前幾代磁體，并且是限制和控制等離子體反應(yīng)的核心。
現(xiàn)在，由麻省理工學(xué)院的等離子科學(xué)與融合中心(PSFC)和麻省分公司的聯(lián)邦融合系統(tǒng)(CFS)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)并廣泛測試了HTS電纜技術(shù)，該技術(shù)可按比例縮放并設(shè)計(jì)成高性能磁體。該小組的研究成果于10月7日發(fā)表在《超導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)》上。研究人員包括麻省理工學(xué)院的助理教授和首席研究員扎卡里·哈特維格。PSFC副工程主管Rui F. Vieira和PSFC的其他關(guān)鍵技術(shù)和工程人員; CFS首席科學(xué)官布蘭登·索邦(Brandon Sorbom)博士和其他CFS工程師;瑞士日內(nèi)瓦CERN的研究人員和科學(xué)家，以及新西蘭惠靈頓維多利亞大學(xué)魯濱遜研究所的科學(xué)家。
這項(xiàng)發(fā)展是在最近推動高磁場途徑發(fā)展的，當(dāng)時(shí)來自12個(gè)機(jī)構(gòu)的47名研究人員在《等離子體物理學(xué)雜志》上發(fā)表7篇論文，表明用這種磁鐵建造的高場聚變裝置將產(chǎn)生凈能量——比消耗的能量多——這是以前從未證明過的。
核科學(xué)與工程學(xué)助理教授，PSFC研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人哈特維格說：“當(dāng)我們努力加快實(shí)現(xiàn)聚變能的時(shí)間表時(shí)，用于SPARC的電纜技術(shù)是一個(gè)重要的難題。” “如果我們在所做的事情和其他技術(shù)上取得成功，那么聚變能將在緩解氣候變化方面發(fā)揮作用——不是在100年內(nèi)，而是在10年內(nèi)?！?/span>
超級電纜
本文中描述的創(chuàng)新技術(shù)是一種超導(dǎo)電纜，導(dǎo)電不產(chǎn)生電阻或發(fā)熱，在極端的機(jī)械、電氣和熱條件下不會降解。品牌 VIPER(一個(gè)首字母縮略詞，代表真空壓力浸漬、絕緣、部分轉(zhuǎn)置、擠出和卷形)，由商業(yè)生產(chǎn)的薄鋼帶組成，這些鋼帶包裝有HTS化合物(釔鋇鋇銅氧化物)組裝成銅和鋼組件以形成電纜。低溫冷卻劑(例如超臨界氦氣)可以很容易地流經(jīng)電纜以除去熱量，即使在嚴(yán)酷的條件下也可以使電纜保持低溫。
索邦(Sorbom)說：“我們的一項(xiàng)進(jìn)步是想出一種在電纜內(nèi)焊接HTS膠帶的方法，有效地使它成為整體結(jié)構(gòu)，將所有物體都熱連接在一起?！? 他還補(bǔ)充說，VIPER還可以通過使用關(guān)節(jié)來創(chuàng)建“幾乎任何類型的幾何圖形”來進(jìn)行曲折。 這使得電纜成為理想的建筑材料，用于纏繞成能夠產(chǎn)生并包含巨大強(qiáng)度磁場的線圈，例如制造融合設(shè)備所需的磁場遠(yuǎn)小于目前設(shè)想的凈能融合設(shè)備所需的磁場。
韌性強(qiáng)
哈特維格說：“我們可以用VIPER電纜做的關(guān)鍵是，使磁場強(qiáng)度達(dá)到所需大小，是當(dāng)今超導(dǎo)磁體技術(shù)的2到3倍?！蓖锌R克中的磁場強(qiáng)度在確定等離子體性能方面起著很強(qiáng)的非線性作用。例如，聚變功率密度隨磁場縮放為四分之一功率：加倍磁場可使聚變功率增加16倍，或者相反，在體積小16倍的設(shè)備中可以實(shí)現(xiàn)相同的聚變輸出功率。
"在用于聚變的高場磁體開發(fā)中，HTS電纜是一種基本成分，它們一直缺失，"勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室美國磁體開發(fā)項(xiàng)目主任索倫·普雷斯特蒙(Soren Prestemon)說，他未參與這項(xiàng)研究。"VIPER 是電纜架構(gòu)領(lǐng)域的一個(gè)突破，可以說是第一個(gè)被證明可行于融合的候技術(shù)，并將推動在核聚變反應(yīng)堆中進(jìn)行演示的關(guān)鍵一步。
哈特維格說，VIPER技術(shù)還為解決超導(dǎo)磁體中的一個(gè)特殊問題提供了一種有力的方法，即淬火，“自從他們開始制造超導(dǎo)磁體以來，這嚇壞了工程師。”急冷是當(dāng)冷電纜不再沒有任何電阻就無法傳導(dǎo)電流時(shí)發(fā)生的急劇溫度上升。當(dāng)發(fā)生失超時(shí)，電流不會在超導(dǎo)狀態(tài)下產(chǎn)生幾乎為零的熱量，而是會在電纜中產(chǎn)生大量的電阻加熱。
“如果不切斷電流，溫度的迅速升高可能導(dǎo)致磁鐵潛在的損壞或毀壞自身，” 哈特維格說，“我們想避免這種情況，或者，如果不是這樣，至少要盡快并且肯定地了解它。”
該小組采用了CERN和魯濱遜研究所的合作者開發(fā)的兩種類型的溫度傳感光纖技術(shù)。光纖首次在全尺寸HTS電纜上以及在高磁場聚變磁體的典型條件下展示，對電纜沿線的溫度變化進(jìn)行了靈敏且高速的檢測，以監(jiān)測淬火的發(fā)生。
另一個(gè)關(guān)鍵結(jié)果是成功地將VIPER電纜之間易于制造、低電阻和機(jī)械堅(jiān)固的接頭結(jié)合在一起。與磁鐵的其他部分相比，超導(dǎo)接頭通常很復(fù)雜，制造困難并且容易失效。 VIPER旨在消除這些問題。VIPER接頭具有可拆卸的額外優(yōu)勢，這意味著它們可以拆開并重新使用，而不會影響性能。
普雷斯特蒙(Prestemon)指出，電纜的創(chuàng)新架構(gòu)直接影響著未來運(yùn)行聚變反應(yīng)堆的現(xiàn)實(shí)世界挑戰(zhàn)?！霸谝粋€(gè)實(shí)際的商業(yè)化聚變能生產(chǎn)設(shè)施中，反應(yīng)堆深處的強(qiáng)烈熱量和輻射將需要常規(guī)的組件更換?！? 他說，“能夠?qū)⑦@些接頭拆開并放回原處，是使融合成為具有成本效益的主張的重要一步。”
哈特維格團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的12條VIPER電纜(長度在1至12米之間)通過彎曲測試，數(shù)千個(gè)突然的“開-關(guān)”機(jī)械循環(huán)，多個(gè)低溫?zé)嵫h(huán)以及數(shù)十個(gè)類似淬火的事件進(jìn)行了評估，以模擬一種在聚變設(shè)備的磁體中遇到的惡劣條件。該小組在四個(gè)月內(nèi)在SULTAN工廠成功完成了四個(gè)為期一周的測試活動，SULTAN工廠是瑞士等離子中心領(lǐng)導(dǎo)的超導(dǎo)電纜評估的較高中心，該中心隸屬于瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院。
“在SULTAN，HTS電纜測試的空前速度表明，一支優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)可以以更快的速度，冒險(xiǎn)的意愿和執(zhí)行的資源來推動技術(shù)的發(fā)展。”這是SPARC項(xiàng)目的基礎(chǔ)。
SPARC團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)改進(jìn)VIPER電纜，并朝著2021年中期的下一個(gè)項(xiàng)目里程碑邁進(jìn)：“我們將制造一個(gè)多噸模型的線圈，其尺寸將與SPARC的全尺寸磁體相似， ” 索邦(Sorbom)說。這些研究活動將繼續(xù)推動SPARC的基礎(chǔ)磁體技術(shù)的發(fā)展，并能證明聚變產(chǎn)生的凈能量，這是表明聚變信號是一項(xiàng)可行的能源技術(shù)的關(guān)鍵成就。哈特維格說：“這將是聚變能的分水嶺?！?/span>
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