超强磁铁让商业核聚变成为可能

  新浪科技讯 北京时间6月9日消息,格雷格·布里特尔斯博士说起自己手上正在进行中的项目时,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项目,它需要你开发出新的技术和方案,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核聚变反应。如果我们可以在地球上利用聚变反应产生的能量,我们就可以使用少量的燃料,创造源源不断的能量,还不会产生二氧化碳。这样的好事,谁能不心动呢?

  聚变的原理非常简单,且易于理解。两个氢原子,加上足够的热量和压力,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高温,使它们获得足够的能量,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,最常见的办法就是用强大的磁场来约束等离子体。

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

强大磁场将等离子体困在反应堆内部强大磁场将等离子体困在反应堆内部

  今年晚些时候,联邦聚变系统公司(CFS, Commonwealth Fusion Systems)的鲍勃·穆加德博士和他的团队将测试一种突破性的磁铁。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公里长的特殊电磁带。

  十分特殊的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用电量。

  但是,在核聚变领域,当人们说冷却时,其实指的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冰箱。”

穆加德博士穆加德博士

  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、研发规模的磁铁,但我们是第一个真正将这种磁铁放大的公司。我们的磁铁大小,是建造核聚变机器真正所需的。”

CFS的磁铁内部缠绕着大约300公里的超导电磁带CFS的磁铁内部缠绕着大约300公里的超导电磁带

  磁铁技术的飞跃对于英国的托克马克能源公司的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。”

托卡马克能源正在研究如何巧妙地将超导带绕成线圈托卡马克能源正在研究如何巧妙地将超导带绕成线圈

  这种磁场可以产生惊人的力量。布里特尔斯博士表示,他的磁铁在全功率运行下产生的力,将是地球上最深的海沟底部压力的两倍。

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

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

  他说:“我们相信,到本世纪的三十年代初,我们可以在核聚变试验装置内部署我们的技术。这将是一场全球竞赛。美国也有不少很有前景的私人公司。他们将是我们的竞争对手。”

  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一个。到目前为止,ITER的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这些公司带来的更紧凑型设计激发了私人投资者们的兴趣,他们相信这些项目有望成为可行的商业主张。

瓦尔·冯·利罗普博士的投资公司已经在核聚变技术上投资了数千万美元瓦尔·冯·利罗普博士的投资公司已经在核聚变技术上投资了数千万美元

  20年前,瓦尔·冯·利罗普博士成立了自己的风投公司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,核聚变的潜在好处不可估量。全球电力市场每年的价值约为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难题。但是从我们目前的情况来看,没有什么困难可以真正阻挡我们前进。”(匀琳)

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