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MIT的超导新突破,能让人类进入无限发电时代吗?

时间:03-14 来源:最新资讯 访问次数:117

MIT的超导新突破,能让人类进入无限发电时代吗?

出品|科技《态度》栏目作者|普子胥编辑|丁广胜超导超导,虚无缥缈?经历了近些年超导材料种种乌龙风波后,一则最新的消息又浮出水面,抓住了业界的眼球。近日,美国麻省理工学院(简称MIT)等离子体科学与核聚变中心以及英联邦聚变系统公司的研究团队,就发布了系列论文,石破天惊地论证了备受争议的高温超导材料,取得了前所未有的突破,能够成为核聚变发电站的基础。那么,人类可以无限发电、彻底解决能源焦虑的时代,真的要来了吗?一、超导磁体,创造奇迹?这一次,MIT团队,试图重新颠覆认知。其论文里,证明了其研发的一种新型高温超导磁体的磁场强度达到了20特斯拉,创下了世界纪录。(特斯拉是磁通量密度或磁感应强度的国际单位制导出单位)这是如何做到的?实际上,20特斯拉强度,正是建造核聚变发电厂所需的磁场强度。如果这一种新型高温超导磁体的磁场强度达标,将有望产生净输出功率,并有可能开创一个几乎无限发电的时代。这一种磁体所用的材料名为REBCO(Rare Earth Barium Copper Oxide,稀土钡铜氧化物),可以在20开尔文的温度下工作,无需在导体绕组之间进行复杂的绝缘处理。而MIT团队综合报告,证明了这家团队在2021年实验中采用「高温超导磁体」以及无绝缘的设计,是可行且可靠的。并且,这一种超导磁体,能够将可控核聚变装置托卡马克的体积和成本压缩40倍,并成功通过了科学上严格的测试和论证。作为横向比对,REBCO磁体较其他基于超导体的磁体所需的绝缘材料更少,并且磁体裸露,具有更强的导电性。这不仅能简化材料的制造过程,还可以提高磁场强度和密度,让冷却装置直接接触超导带,提高冷却效率。此外,MIT团队还在制造工艺上进行了创新。他们采用的“卷绕”技术提高了磁体的制造效率,同时保持了超导材料的完整性。不仅如此,报告里,MIT团队称其达到了设计新型核聚变装置(被称为SPARC)的所有标准。并且,实验结束后,该团队还拆解并检查了磁体的各个部件,仔细研究并分析了数据。并在各种测试中,去验证超导磁体是否能在各种极限场景下稳定工作。结果发现,即使在人为制造的不稳定条件下,磁体线圈的受损部分只占线圈总体积的百分之几。该团队还预计,即使在最极端的条件下,只要按照优化方案,还能避免磁体出现这种规模的损坏。对此突破性的进展,不久前刚卸任MIT等离子体科学与聚变中心主任的Dennis Whyte则激动的表示,“一夜之间,MIT团队将聚变反应堆的每瓦特成本几乎降低到了1/40,让核聚变技术商用成为可能。在我看来,这是过去30年来核聚变研究中最重要的事情。”“现在核聚变有了机会。”Whyte说道。“托卡马克是目前使用最广泛的聚变实验装置设计。在我看来,托卡马克有机会变得经济实惠,因为在已知的约束物理规则下,我们可以大幅减小实现聚变所需装置的体积和成本,这是一个质的飞跃。”那么,这是否预示着核聚变有望很快从一个实验室中的科学研究项目,成为可以商业化的技术,并且为全球提供无限的清洁能源?这又将对我们人类产生什么影响?二、人类永恒的难题,是什么?那么,为什么人们提到核聚变发电厂,就如此振奋?因为,人类永恒的难题,就是能源。目前,地球上使用的能源有80%来自煤炭、石油和天然气这类化石能源。但问题是,化石能源不可再生。如果不想坐吃山空,人类必须尽快找到更加持续、稳定和清洁的新能源。过去几十年,对核能的运用,就是人类大力探索的路线之一。现在,核能有两种释放能量的方式,一是核裂变,二是核聚变。目前,主要采用核裂变的核电厂已经大规模商业化。此时,更多想象的空间,就留给了核聚变。如果人类建造“人造太阳”一类装置,实现像太阳一样的连续核聚变反应,就可以得到持续的能量产出,能源困局和环境危机便会迎刃而解。此外,相比核裂变,核聚变或许是一项更优解。一方面,核聚变同等燃料释放能量远高于核裂变。另一方面,核聚变的原料容易获取,储量巨大。比如,在氘-氚聚变反应中,氘原料就存在于海水中。地球地海洋中,就蕴藏了约45万亿吨的氘原料。而一瓶矿泉水中的海水可提取约0.015克的氘,聚变能相当于150升汽油,能让一辆汽车从北京跑到广州。此外,氘-氚聚变反应的最终产物是氦和携带大量能量的中子,不会造成任何污染,对环境友好。更重要的是,相较于核裂变发电,核聚变其产生的核废料半衰期极短(低管理成本、核泄漏时总危害较低、最多只有一公里内需要撤退)、并且安全性也更高,在极端失控条件下,它会在短时间内自行终止反应,安全可靠。但唯一的问题是,可控核聚变实现起来,难度极大。从原理上说,核聚变是将两个较轻的核结合,形成一个较重的核和一个极轻的核的一种核反应形式。过程中,两个较轻的核聚变中会产生质量耗损,从而释放出巨大的能量。过去几十年,人类已经实现不受控制的核聚变,如氢弹的爆炸。但是,要想获取核聚变巨大的能量,要想这些能量被人类有效利用,就必须实现可控制的核聚变,必须能够合理的控制核聚变的速度和规模,实现持续、平稳的能量输出。不过,实现核聚变发电的几大难点,一是实现上亿度点火,二就是稳定长时间约束控制,以及,人工核聚变所产生的能量与触发核聚变的能量要到达一定的比例才能有经济效应。而在目前,输入的能量大于输出、或发生约束的时间极短等,仍然是业界难以攻克的难题。当下,地球上要实现可控核聚变,就需要对高温等离子体进行约束,包括利用引力约束、磁场约束、惯性约束几种方式。其中,磁约束是我国主要发展技术路线。而通过磁场用以约束质子运动的装置,就叫托卡马克。此前,中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)就曾创造新的世界纪录,成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒,对探索未来的聚变堆前沿物理问题,提升核聚变能源经济性、可行性,加快实现聚变发电具有重要意义。然而,除了约束时间外,能耗仍然是一个巨大的难题。此时,就有超导材料的用武之地了。事实上,超导材料具有常规材料所不具备的零电阻、完全抗磁性和宏观量子效应,能够为核聚变反应提供更强磁场。这一次,MIT团队发现的高温超导材料制成的磁体,达到了20特斯拉的大规模磁场强度,达到了建造核聚变发电厂所需的磁场强度,足以作为核聚变发电厂的基础。并且,这一种新型高温超导磁体,能够将可控核聚变装置托卡马克的体积和成本压缩40倍,并成功通过了科学上严格的测试和论证。此外,高温超导材料相比低温超导材料,可以在较高的温度下保持超导状态,这将大大降低制冷成本,使得核聚变反应更加经济可行。如果以上验证是为真,那这无疑是一种巨大的突破。三、超导超导,虚无缥缈?不过,MIT团队的REBCO新型材料要想真正实用,或许还有很长的路要走。Dennis Whyte就表示,这种材料是对几乎所有用于制造超导磁体的原理的重新设计。如果采用这种全新的高温超导材料进行制造超导磁体,不仅仅是在前人的基础上进行改良,而是需要从头开始创新和研发。从另一方面来说,MIT团队的REBCO新型材料得可操作性,或许更需要广泛的实践的验证。事实上,近年来关于超导材料的风波、争论、质疑,以至于最后翻车,其实并不少见。比如,2023年一个巨大的闹剧风波,还历历在目。这一年,迪亚斯团队宣称在极高压力下合成了室温超导材料。然而,这项研究受到了广泛的质疑,因为实验条件极为苛刻,此外,其他研究团队尝试复制这一结果时,未能在相同条件下观察到室温超导现象。并且,迪亚斯之前有过论文因数据篡改被撤稿的历史。2020年,《自然》(Nature)杂志发表的一篇首次实现 “室温超导” 的封面论文引发轰动。其中,迪亚兹团队创造出一种三元氢化物(C-S-H),在267万个超高大气压下,实现了转变温度为15摄氏度的超导电性,即观察到常温超导现象。随后,投稿仅2个月就登上了《自然》杂志封面,被誉为是诺奖级的突破。然而,迪亚兹的这项研究成果无法复现,一度成为业内最大的槽点。迪亚兹后来称,其在实验过程不小心打碎了金刚石,后面也没再重复实验。然而,迪亚兹却没有重复出来金属氢的实验结果。最后被《自然》杂志撤稿。此外,近年来,韩国研究团队也发表了室温超导声明,然而,后续研究表明这一发现存在问题,中国科学院物理研究所等机构发表了论文证伪了这一发现,指出实验方法过于简陋,难以置信。以及,华中科技大学的研究人员在合成了一种名为LK-99的晶体,并声称这种晶体具有磁悬浮的特性,这可能是一种室温超导材料的新发现。然而,这一发现也引发了进一步的争议和质疑,因为其他研究团队未能复制这一结果。而经历了多次乌龙和闹剧后,超导材料则被戏称为:超导超导,虚无缥缈。不过,尽管存在质疑和争议,超导材料的研究仍在继续。我们将持续关注。

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