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超强磁铁让商业核聚变成为可能

新浪科技 2021-06-09

  格雷格·布里特尔斯博士说起自己手上正在进行中的兴发娱乐xf938项目时,眼中闪烁着激动之情。他说:“每个工程师都梦想着拥有一个技术上极具挑战性的兴发娱乐xf938项目,它需要你开发出新的兴发娱乐xf938技术和方案,去解决难题,同时这也对世界尤其重要。”五年前,他刚结束自己在牛津大学的兴发娱乐xf938研究工作。之后,布里特尔斯博士加入托卡马克能源(Tokamak Energy),这是一家计划建造聚变反应堆的兴发娱乐xf938创业公司。

  太阳和其他恒星之所以能够发光发热是因为它们内部的兴发娱乐xf938核聚变反应。如果我们可以在地球上利用聚变反应产生的兴发娱乐xf938能量,我们就可以使用少量的兴发娱乐xf938燃料,创造源源不断的兴发娱乐xf938能量,还不会产生二氧化碳。这样的兴发娱乐xf938好事,谁能不心动呢?

  聚变的兴发娱乐xf938原理非常简单,且易于理解。两个氢原子,加上足够的兴发娱乐xf938热量和压力,便可以融合在一起聚变成氦原子。在这个过程中,部分氢物质转化为热量,这个热量可以用来发电。

  但是,其中的兴发娱乐xf938挑战就在于,在地球上启动核聚变,你需要将氢同位素加热到数亿度的兴发娱乐xf938高温,使它们获得足够的兴发娱乐xf938能量,分解成为等离子体。一直以来,控制高能等离子体是一个大麻烦。恒星可以依靠引力来控制等离子体,但是在地球上,最常见的兴发娱乐xf938办法就是用强大的兴发娱乐xf938磁场来约束等离子体。

  许多工程上的兴发娱乐xf938挑战,归根结底都是如何制造磁铁。这样的兴发娱乐xf938磁铁,必须足够强大,可以控制这个超高温的兴发娱乐xf938高速旋转物质,同时又不会消耗太多能量,也就是说反应堆消耗的兴发娱乐xf938能量不能超过其本身产生的兴发娱乐xf938能量。

  今年晚些时候,联邦聚变系统公司(CFS, Commonwealth Fusion Systems)的兴发娱乐xf938鲍勃·穆加德博士和他的兴发娱乐xf938团队将测试一种突破性的兴发娱乐xf938磁铁。据他们所说,这项新技术可以帮助我们前进一大步。

  这块D形的兴发娱乐xf938磁铁重约10吨,非常硕大,一个成年人可以从磁铁中间穿过。D形磁铁内部缠绕着大约总计300公里长的兴发娱乐xf938特殊电磁带。

  十分特殊的兴发娱乐xf938电磁带本身也是一项工程壮举,开发过程历经数十年。薄薄一层超导稀土钡铜氧化物分布在金属带上。冷却后,电磁带束具有超高导电性,差不多有40000安培电流流过,足够满足一个小镇的兴发娱乐xf938用电量。

  但是,在核聚变领域,当人们说冷却时,其实指的兴发娱乐xf938是将电磁带冷却到零下253摄氏度。在日常生活中,零下253摄氏度着实难以想象,但是在超导材料领域,这个温度其实算得上比较温暖。

  CFS的兴发娱乐xf938创始人穆加德博士说:“这意味着我们需要一台差不多房子大小的兴发娱乐xf938冰箱。”

  CFS正计划建造一个反应堆,内部将以环形排列方式放置18块D形磁铁——也就是所谓的兴发娱乐xf938托卡马克装置。同时,CFS最近已经选择在马萨诸塞州建造反应堆。

  穆加德博士说:“有些小型公司和国家实验室已经有桌面大小、研发规模的兴发娱乐xf938磁铁,但我们是第一个真正将这种磁铁放大的兴发娱乐xf938公司。我们的兴发娱乐xf938磁铁大小,是建造核聚变机器真正所需的兴发娱乐xf938。”

  磁铁技术的兴发娱乐xf938飞跃对于英国的兴发娱乐xf938托克马克能源公司的兴发娱乐xf938核聚变项目也至关重要。

  过去五年来,布里特尔斯博士一直在开发磁铁技术,目前正在打造一个可以让一系列强大磁铁共同作用的兴发娱乐xf938演示系统。

  他解释说:“这个系统由许多许多线圈组成,线圈可以产生相互作用的兴发娱乐xf938力,互相拉扯,达到平衡。我们需要对这个状态加以控制,否则所有这些力会失去平衡。”

  这种磁场可以产生惊人的兴发娱乐xf938力量。布里特尔斯博士表示,他的兴发娱乐xf938磁铁在全功率运行下产生的兴发娱乐xf938力,将是地球上最深的兴发娱乐xf938海沟底部压力的兴发娱乐xf938两倍。

  磁铁准备好之后,它们会被放入一个球形托卡马克——苹果状的兴发娱乐xf938聚变反应堆。研究表明,相比于CFS和其他机构使用的兴发娱乐xf938甜甜圈式托卡马克,苹果状的兴发娱乐xf938托卡马克每单位消耗的兴发娱乐xf938能量可以产生更多能量。

  托卡马克能源的兴发娱乐xf938创始人之一大卫·金汉姆博士说:“真正的兴发娱乐xf938挑战是商业聚变。商业聚变也是我们的兴发娱乐xf938目标。我们选择球形托卡马克正是看中了该设计蕴含的兴发娱乐xf938长期商业优势。”

  他说:“我们相信,到本世纪的兴发娱乐xf938三十年代初,我们可以在核聚变试验装置内部署我们的兴发娱乐xf938技术。这将是一场全球竞赛。美国也有不少很有前景的兴发娱乐xf938私人公司。他们将是我们的兴发娱乐xf938竞争对手。”

  但是,人们总说核聚变反应堆有望真正实现,已经说了好几十年(也一直没有实现)。

  在法国南部,多个国家正在联合建造一座巨型核聚变反应堆“ITER”,是目前所有核聚变项目中规模最大的兴发娱乐xf938一个。到目前为止,ITER的兴发娱乐xf938建造成本已经达到数十亿英镑,并且建造进程已经落后原计划数年。

  但是,托卡马克能源和CFS这些公司带来的兴发娱乐xf938更紧凑型设计激发了私人投资者们的兴发娱乐xf938兴趣,他们相信这些项目有望成为可行的兴发娱乐xf938商业主张。

  20年前,瓦尔·冯·利罗普博士成立了自己的兴发娱乐xf938风投公司Chrysalix。自2008年以来,他已经向加拿大一家公司General Fusion投资了数千万美元。

  利罗普博士说,一直以来,核聚变行业融资都十分困难,因为太多钱被砸进了ITER。但是现在,情况不一样了。

  “我看到有更多资金进入这个行业,更多兴趣投向这里,人们也逐渐意识到,核聚变是一个非常庞大的兴发娱乐xf938平台技术,而且也不是始终充满不确定性。”

  利罗普博士还指出,核聚变的兴发娱乐xf938潜在好处不可估量。全球电力市场每年的兴发娱乐xf938价值约为3万亿美元,而且有增无减。“如果这种核聚变技术能够成功,它将有望开启一个前所未有的兴发娱乐xf938最大规模行业转型。”

  回到工作上。布里特尔斯博士承认,未来还有很多工程工作要做,但他充满信心:“我们正在努力解决各种可能随时让我们失败的兴发娱乐xf938难题。但是从我们目前的兴发娱乐xf938情况来看,没有什么困难可以真正阻挡我们前进。”(匀琳)

责任编辑:刘鑫嵘

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