w88优德体育w88优德体育核聚变反应堆一定庞大和

2020-01-08 作者:w88优德体育w88优德体育 172

w88优德体育w88优德体育如果磁場強度上不去,就只能通過提高體積的方式來獲得所需的聚變功率。可見,提高磁場強度B是縮小托卡馬克聚變堆尺寸R的關鍵。但是超導臨界電流密度的限制使得低溫超導線圈所能達到的最高磁場強度非常有限。低溫超導體,如鈮三錫和鈮鈦,當電流密度超過一定的值就會失去超導態,這使得鈮三錫和鈮鈦磁體分別最高只能達到Bmax=13.5T和8T。此外,低溫超導材料需要工作在4.5K以下的極低溫條件下,只能用液氦冷卻,而氦是一種較為稀缺的資源[4]。

ITER采用鈮三錫超導磁體,等離子體中心最高磁場強度只能達到B0=5.3T,這時線圈的高場側達到13T[7]。因此,要達到500兆瓦聚變功率的目標,科學家不得不將ITER設計得很大,等離子體大半徑R=6.2米。而托卡馬克裝置的成本,除去核系統,大致正比于R3。因此,ITER的成本降不下來。可見,正是因為ITER采用了低溫超導線圈,才如此龐大和昂貴。要降低成本,減小裝置尺寸,最有效的辦法就是增強磁場。

2019年6月12日,Nature期刊報道美國國家強磁場實驗室用YBCO高溫超導和銅的混合磁體實現了45.5T的穩態強磁場世界紀錄[12]。而MIT一直沿著緊湊型強場托卡馬克這條主線發展,最先看到了高溫超導強場這一發展趨勢。雖然AlcatorC-Mod裝置被關掉了,但是近兩年MIT積極探索了一系列的創新技術[15],比如:基于二代高溫超導帶狀導線REBCO,設計了聚變功率Pfusion50兆瓦、聚變增益Q2的小型聚變試驗堆SPARC[16]和聚變功率Pfusion200兆瓦、聚變增益Q10的聚變商業示范堆ARC[14]等。

近幾年,高溫超導的產業化發展迅速。不僅美、日、韓、德有多家企業,國內,上海超導和蘇州新材料研究所都已研制成功千米級二代高溫超導帶狀導線REBCO,并實現了商業化銷售。但目前價格還比較貴,大約200元/米。高溫超導線圈的成本比低溫超導線圈高了一個數量級。但因為高溫超導有廣泛的應用領域,如直流輸電、超導磁懸浮列車、超導電機、超導發電機、超導變壓器、超導故障電流限制器、超導電纜,以及高磁場核磁共振成像NMR/磁共振成像MRI等,市場需求潛力巨大。