ARC试点聚变发电厂:用聚变磁铁推动极限

大卫•菲舍尔

大卫·费舍尔坐在实验的真空室旁边(蓝色照明),高温超导体胶带将安装在那里进行质子辐照和原位传输电流测量。他的笔记本电脑显示了在这些测量中获得的数据——这是确定临界电流的基础。信贷:佐伊费舍尔

麻省理工学院能源研究员大卫·费舍尔照射高温超导胶带,以测试其弹性,并为第一个核聚变试验厂做准备。

“在12岁到15岁之间,我开始画画;我在制定聚变装置的计划。”

大卫·费希尔(David Fischer)还记得在奥地利维也纳长大时,他想象着如何最好地冷却熔炉里的离子热汤等离子体在一个叫做托卡马克的聚变装置里。他想知道,在离这些磁铁仅一米远的甜甜圈形状的真空室中,会产生比太阳核心还要热的等离子体,不同的冷却剂可能会产生什么样的温度范围。

他回忆道:“我当时正在画这些设计图,把它们拿给我父亲看。”“然后不知怎么的,我忘记了核聚变的想法。”

现在,费希尔开始了他在麻省理工等离子体科学与聚变中心(PSFC)的第二个学年的博士后学习,并成为了埃尼资助的麻省理工学院新能源研究员。费希尔显然已经与“核聚变想法”重新建立了联系。他的研究围绕着年轻时让他着迷的概念展开。

费舍尔的早期设计探索了一种流行的方法来产生无碳、可持续的聚变能量,称为“磁约束”。由于等离子体会对磁场产生反应,托卡马克的设计采用了磁铁,以使聚变原子留在容器内,远离金属壁,在那里它们会造成损害。磁约束越有效,等离子体就会变得越稳定,在装置内持续的时间也就越长。

Fischer正在研究ARC,这是一个聚变试验厂概念,在聚变磁铁中使用薄高温超导体(HTS)磁带。超导体可以产生比传统超导体更高的磁场,使托卡马克设计更加紧凑。高温超导还允许熔合磁铁在更高的温度下工作,大大减少了所需的冷却。

菲舍尔对如何防止高温超导磁带变质特别感兴趣。聚变反应产生中子,中子可以破坏聚变装置的许多部分,对离等离子体最近的部件影响最大。尽管超导带可能离托卡马克的第一堵墙有一米远,中子仍然可以到达它们。即使在数量减少和失去大部分能量后,中子也会破坏高温超导带的微结构,随着时间的推移改变超导磁体的特性。

Fischer的大部分研究重点是辐照损伤对临界电流的影响,临界电流是能够通过超导体而不损耗能量的最大电流。如果辐照导致临界电流降低太多,聚变磁体就不能再产生限制和压缩等离子体所需的高磁场。

Fischer指出,通过在磁铁和聚变等离子体之间增加更多的屏蔽,可以几乎完全减少对磁铁的损害。然而,这将需要更多的空间,这在紧凑型聚变发电厂是溢价的。

“你不能在两者之间设置无限的屏蔽。你必须首先了解这种超导体能承受多大的损伤,然后确定你想让聚变磁铁持续多久。然后围绕这些参数进行设计。”

Fischer在HTS磁带方面的专业知识源于奥地利Technische Universität Wien(维也纳科技大学)的研究。他在低温物理组攻读硕士学位,有人告诉他有一个研究涂层导体辐射损伤的博士职位,涂层导体可用于聚变磁体。

回忆起他和父亲分享的画,他想,“哦,真有趣。十多年前我就被核聚变所吸引。好吧,就这么办。”

在日本的一个研讨会上发表的关于中子辐照对高温超导体用于聚变磁体的影响的研究,引起了PSFC核科学与工程教授Zach Hartwig和联邦聚变系统首席科学官Brandon Sorbom的注意。

“他们把我骗了进去,”他笑着说。

和费希尔一样,索博姆在自己的论文中也探讨了辐射损伤对高温超导带临界电流的影响。两位研究人员都没有机会研究的是,在20k(高温超导熔合磁体工作的温度)照射下磁带的表现。

费希尔现在为PSFC主任丹尼斯·怀特监督质子辐照实验室。他正在制造一种设备,不仅能让他以20k的速度照射超导体,还能立即测量关键电流的变化。

他很高兴回到NW13实验室,被亲切地称为“金库”,与研究生和本科生研究机会项目的学生助理安全地工作。在新冠肺炎疫情封锁期间,他能够在家编写测量软件,但他错过了与同事的日常联系。

“气氛非常鼓舞人心,”他说,并提到了他的工作最近引发的一些问题。“辐照温度的影响是什么?”临界电流退化的机制是什么?我们能设计出更抗辐射的高温超导胶带吗?有没有办法治愈辐射损伤?”

费舍尔可能有机会探讨他的一些问题,因为他准备协调麻省理工学院一个新的中子辐照设施的规划和设计。

“这对我来说是一个很好的机会,”他说。“现在负责一个项目很好,看到人们相信你能把它做好。”

2的评论关于“ARC试点聚变电站:用聚变磁铁推动极限”

  1. 高温,禁闭,在越南战争期间,在军舰上使用的伏特克灯。像太阳一样热的温度TAK

  2. 导致这些聚变的元素能承受太阳温度的热量吗?还是会融化?

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