@ 2015.08.17 , 21:00

磁铁技术研究进步,小型核反应堆十年内将变为现实

磁铁技术的进步让麻省理工学院(以下简称MIT)的科学家们设计出更便宜、小型、模块化、高效的核反应堆,并称这一技术可以形成商业化产品。最重要的是,这个清洁、几乎取之不竭的能源有望在十年内面世。

MIT的团队成员用最新的超导材料稀土钡铜氧化物(REBCO)做成高磁场线圈,而这是整个设计的核心。

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MIT核能科学与工程系教授Dennis Whyte介绍,这个材料能让我们用磁铁做出更大的反应的东西。不过喜帖跟我们做核反应堆有什么关系呢?核聚变产生电能和星星放电的物理原理一样。在反应堆里两个相对较轻的原子合在一起产生更重的元素,而星星也会产生非常热的等离子体,这个气体相当于带电气体。

越强的磁铁、越强的磁场就能让等离子体聚在越小的空间,也就是说同样大小的空间里能装下比之前更多的等离子体。也就等同于建造反应堆需要的材料和空间都变少了,反应时间也会变短,结果不就是一个更经济实惠的反应堆吗?

小型核反应对及其元件的相关概念在过去几十年里已经有了大量研究并测试得差不多了,这次MIT提出的新原型是将研究基础与潜在的发电装置原型相结合,让它能产生大量的能源。磁场越强,获得的能量就会越多。

新的反应堆原型利用氢聚变形成氦,并释放大量能量。为了维持反应继续并让它变得高效节能(释放的能量比消耗的多),等离子体必须被加热到比恒星内核还高的温度才行。新磁铁技术在这时就派上用场了,它们能吸收托卡马克(受控核聚变器的环形容器)中心的加热例子

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磁场中的一点提高都是巨大的成功,因为核聚变反应堆里的磁场强度变化对反应有很大的影响:可用的聚变动力增加,导致磁场功率增加了四倍,而磁场又被扩大了一倍也就是说这个设备产生的能量就多了16倍。

该研究称,新的磁体产生的磁场强度并没有放大一倍,但是这些超导材料的使用足以提高反应堆产生的能量到之前的10倍。开辟了核聚变反应堆的发展、标准设计道路。

目前世界最大的核聚变反应堆计划正在法国建设中,项目名称为ITER,预计耗资400亿美元。这个项目是在新超导体出现之前设计并投入生产的。MIT小组认为,他们的新设计能产生和法国这个大项目差不多的能源,但是反应堆的直径只有ITER的一半,成本也只是ITER的一小部分,建起来也更快。

他们将这次研究的反应器称为ARC,它的大小和磁场强度都和ITER相差甚广,但是物理基础却是完全一样的。

MIT研究组还计划让不拆除整体反应器的前提下取出核聚变核心,如果能做到这一点将会为以后核聚变核心的材料、设计进一步研究铺平道路,而这些归根结底还是为了提高核心性能。

此外,新超导体材料能让ARC和ITER一样让反应器持续运行,一次性产生几秒的输出稳定功率的电能,不至于让铜线圈过热。

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ARC的另一个关键突破是用液体材料代替覆盖在融化室周围的固体材料,这样一来能便于流通和更新互换。这样做还有一个好处就是降低运营成本:随着时间推移,固体材料需要被替换,而液体可以循环使用。

核聚变反应时,核心会被融化,外围的固体材料也面临及其严酷的环境,所以用液体来代替会好很多。

现在这个原型能发动的电能是保持发动所需消耗能源的3倍,据介绍只要对原型进行改进和微调就能上升到5~6倍。

到目前为止,已经设计完成的核聚变反应堆还没有谁能产生电能(准确来说是没有产生比消耗更多的电),所以ARC产生的净电能的设计很有可能带来重大突破,据MIT团队成员估计,它发的电够10万人使用。

核电肯定会是22世纪地球上最重要的电力来源,但是我们需要让核电进步得更快一点以避免全球变暖带来更大灾难。这次得设计无疑会带来很大希望。

本文译自 ZME Science,由译者 小笨 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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