高温超导胶带

长达1万千米的高温超导胶带能实现核聚变发电吗?

在波士顿附近的一个美国陆军备用基地旧址上，一座不同寻常的建筑从起伏的山丘中拔地而起。联邦聚变系统公司(CFS)的科学总监布兰登•索尔博姆(Brandon Sorbom)带着我走向十字形大楼的中心，沿途经过一个个脚手架、叉车和一队队焊工、油漆工。走下楼梯，我们来到一个地下室，墙面为2.5米厚的混凝土，4根粗壮的柱子支撑着高高的天花板。索尔博姆指着房间天花板中央的一个大圆洞说：“若一切按计划进行，几个月后，Sparc托卡马克装置就会在那里落成。”在甜甜圈状的真空室里，一座3米高的高温超导磁体将产生强大的磁场，挤压并聚集不断旋转的过热氢等离子体。整个过程模仿了太阳的燃烧过程，氢离子(氘和氚的同位素)加速并碰撞，聚变成氦，释放出高能量的中子。作为初创企业，联邦聚变系统公司以麻省理工学院数十年的研究为基础，对技术进步和激增的私营部门投资加以利用，是近十年来涌现的新一波核聚变能源项目的领军者之一。核聚变工业协会(FIA)的负责人安德鲁•霍兰德(Andrew Holland)表示，多家核聚变能源公司目前筹集的资金已达50多亿美元，其中大部分是2021年以来筹集的。这些公司均打算在这个十年末达成正能量增益，即从反应中获得的能量多于触发这些反应的能量。索尔博姆说：“到那时，我们离无碳电力的新时代就又近了一步。我们希望能按时实现这一目标，使其成为解决气候危机方案的重要部分。”联邦聚变系统公司技术的与众不同之处在于使用了高温超导胶带，这种胶带分层堆叠，可形成极强的电磁体，影响和约束任性的等离子体，并使大部分带电粒子远离托卡马克的壁体。该公司认为，这一新颖方法将能够建造高性能的托卡马克，比以前的要小得多，且成本更低。

目前，核聚变能源研究主要有两条途径。磁约束聚变使用电磁体来限制等离子体，通常在托卡马克内;惯性约束聚变则压缩并加热充满燃料的目标(通常使用激光)，进而触发反应。随着材料科学、高速计算、建模和仿真的进步，这两种方法的进展也在加速。在采用磁约束的公司和机构中，联邦聚变系统公司在筹款方面领先，已经获得了超过20亿美元的资金，用于建造Sparc试点工厂。一般而言，超导材料在冷却至临界温度以下时，可以无电阻无能量损失地传导直流电。顾名思义，高温超导(HTS)磁体可在比传统托卡马克所应用的温度更高的情况下实现超导，而后者通常需要更复杂、更昂贵的冷却系统，包括液氦。“高温”可能会让人联想到温度高到令人烫伤，而实际上高温超导材料的工作范围在20到77开尔文(约-200℃到-250℃)。这仍然是很低的温度，但比一般超导体所需的温度要高得多，因为超导体只能在接近绝对零度的温度下工作。“这些新材料为聚变能开辟了一条新途径，因为除了在相对较高温度下实现的超导能力外，它们还能够进入非常高的磁场。”美国能源部(DOE)高级顾问、首席聚变协调员斯科特•许(Scott Hsu)这样说，“这些特性为设计体积小、结构简单、成本低的聚变系统提供了可能，这些系统建设速度快，容易拆开进行维护。”类似联邦聚变系统公司这样的紧凑型托卡马克可以改变核聚变能源的发展趋势。过去40年来，主导趋势一直是建造越来越大的机器。到目前为止最大的项目是国际热核聚变实验堆(ITER)，这是在法国卡达拉什建造大型托卡马克的国际合作项目。自2013年开始建设以来，ITER聚变实验已经吞噬了全世界大部分用于聚变能研究的公共资金。ITER的项目监理组织近期估计该项目耗资约为220亿美元，使2006年最初估计的56亿美元相形见绌。“ITER是一个非常令人兴奋且有用的实验，但它有一个规模的问题。”联邦聚变系统公司的索尔博姆说，“如果能以某种方式缩小托卡马克，就能更快、更便宜地建造它。”但这是不可能的。由于ITER的长期项目规划和国际合作结构，它远不能从当代尖端的高温超导体中获益。联邦聚变系统公司利用高温超导建造的Sparc托卡马克，规模只有ITER的1/40，而且时间短、成本低。

联邦聚变系统公司这样的小公司与ITER(有史以来最昂贵的科学实验之一)的对抗，很容易让人联想到“大卫和歌利亚”(常用来比喻“不可能实现的胜利”，译注)的故事。但在许多方面，联邦聚变系统公司的Sparc都站在了ITER的肩膀上。ITER项目极大地促进了研究人员对磁约束聚变的了解，促使该行业形成和拥有高度专业化的全球供应链从业人员。事实上，联邦聚变系统公司的6位创始人均对ITER及其物理学基础作出了贡献。

其中之一是等离子体物理学家鲍勃•蒙加德(Bob Mumgaard)，他开创了测量托卡马克等离子体内电流分布的方法。2015年，蒙加德与麻省理工学院的一群研究人员一起，重新设计核聚变发电的方法。1986年，IBM的研究员约翰内斯•乔治•贝德诺茨(Johannes Georg Bednorz)和卡尔•亚历山大•米勒(Karl Alexander Mülle)发现了高温超导体，并因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。自那之后，高温超导技术一直在逐步改进。陶瓷和稀土材料的实验和新配方提高了高温超导体的性能，也提高了超导体的工作温度，极大地改善了高压输电线路、磁共振成像和能量存储的性能。蒙加德于2018年共同创立了联邦聚变系统公司，现在是该公司的首席执行官。他说：“随着这些材料最终商业化，我们意识到不需要取得额外的物理突破也可以实现目标，事实上，从物理学家的观点出发，我们的装置看起来有点乏味;我们依靠的是由ITER和其他实验建立起来的等离子体物理学。而我们决定把所有风险都放在磁体技术上。从理论上讲，通过极致的磁场，我们可以获得极高的性能。”

该团队选择的超导体是氧化钇钡铜(YBCO)。制造氧化钇钡铜胶带时，有的制造商首先使用激光将大块的氧化钇钡铜蒸发成羽状;然后，羽状氧化钇钡铜以薄膜的形式沉积在钢质基板上;随后，氧化过程将氧化钇钡铜的结构改变为能够实现超导的状态。索尔博姆的实验证实了氧化钇钡铜胶带可以承受聚变原子挤压出的高速中子的冲击，后来成为他博士论文的基础。之后，麻省理工学院和联邦聚变系统公司的联合团队开始着手进行棘手的工作，他们采购昂贵、易碎的高温超导胶带并将其缠绕成线圈。在两年多的时间里，团队设法购买了全世界上大部分4毫米宽的高温超导胶带，实现了迄今为止最大的采购量，货源甚至远达日本和俄罗斯。技术人员费力地将胶带缠绕成16个线圈，然后将它们组装成一堆煎饼的样子，形成环形的磁场磁体，围绕在托卡马克的一个部位。2021年9月，在麻省理工学院等离子体科学与聚变中心，研究小组给磁体通电，看着它将产生的磁场增强到20特斯拉。这一强度大约是地球磁场典型值的40万倍，足以将一艘航空母舰托出水面。该团队将通电的磁体保持在稳定状态约5小时。索尔博姆说：“我们的演示证明大体上可以人工制造16个绕组线圈，并将其组装成一个高性能磁铁。但我们能一次又一次地重复这一过程，而且保持很快的速度吗?”为磁化Sparc，联邦聚变系统公司团队需要将这一过程重复18次。在Sparc工厂附近，一部磁体组装设备正在加快生产速度。索尔博姆称：“我们已将组装时间缩短了一半，但还需要将组装时间再缩短1/4，才能按期完成。”每个绕组都要制作，测试集成为环形磁场线圈，运送到到最终装配大厅，在那里，18个相同的线圈和周围的结构将被安装在托卡马克上。由于没有先例，联邦聚变系统公司的磁体建设流程代表了整个项目最关键的路径，还因供应链的挑战而变得更复杂。联邦聚变系统公司一直努力在美国、欧洲和亚洲寻找更多的供应商，同时扩展内部的制造能力，这将为将来建造核聚变发电厂奠定基础。美国能源部能源高级研究计划局(ARPA-E)核聚变项目主任艾哈迈德•迪亚洛(Ahmed Diallo)说：“中国每年生产高温超导胶带接近3000千米，我们希望每年能够生产超过1万千米的胶带，保持核聚变的快速发展。现在我们正在寻找制造过程的新方法，在提高产量的同时降低成本。”这将使一座高温超导磁化托卡马克的价格增加1亿美元甚至更多。美国能源部聚变能源科学办公室的项目经理吉尼维尔•肖(Guinevere Shaw)表示：“我们正在从每年制造几厘米增加到数百千米。美国要在托卡马克的建设方面处于领先地位，就需要在高温超导生产方面实现飞跃，这是一项非常复杂、研究部门很难实现的企业行为。”联邦聚变系统公司表示，在Sparc所需的1万千米胶带中，约有1/3已到达现场，其余的都已确认订单。根据该公司的时间表，组装完成后，设备将在2025年底首次产生等离子体，最迟在2026年初实现聚变能量增益因子(Q)大于1，即实现净增益，这意味着聚变反应产生的能量比维持它所需的能量要多。这是一个激进的时间表，到目前为止，几乎没有一个核聚变项目能兑现如此乐观的承诺。至今为止，《等离子体物理学杂志》陆续发表了7篇同行评议论文，对Sparc的等离子体物理理论进行验证。联邦聚变系统公司的仿真预测，Sparc设计聚变能量将达到50至100兆瓦，实现Q大于10，这与ITER增益因子的预测相当。

尽管困难重重，但在核聚变实验中成功实现能量增益大于10，可能比随后使用核聚变将电力送入电网的挑战要容易得多。对于后一项挑战，联邦聚变系统公司已在着手建造号称世界上第一座核聚变发电厂。公司将Sparc的继任者称为Arc，其设计目的是展示具有经济竞争力的大规模核聚变发电所需的技术。索尔博姆说：“Arc上的大部分工作都是与Sparc同时进行的，这样我们就可以准备好子系统和合作伙伴。”他指出，联邦聚变系统公司目前正在与美国国家实验室、大学以及国际研究机构开展数十项合作。但与核聚变反应本身不同的是，在核聚变发电方面，许多基本问题仍未得到解决。在核聚变反应中，物理理论已经很完善，即使只有一部分得到了执行。建造一个既能收集能量，又能将其转化为电能，还不会被辐射破坏的复杂系统，这在工程和材料科学方面都面临着一系列挑战。挑战之一是如何从装置中提取热量用于发电。在这一点上，联邦聚变系统公司的首选方法是使用熔盐毯，这也可以增殖产生氚。氚是一种稀有氢同位素，可作为加速磁约束反应堆的燃料。工作设计要将一个连续循环流动的盐泵入等离子体室所在的罐中，熔盐在罐里吸收辐射的中子，然后被泵出托卡马克，在那里，热能被交换到驱动涡轮机发电的液体。因为Arc产生的所有能量几乎都会被熔盐层吸收，所以磁体冷却系统的负荷很小。熔盐很可能是氟化锂和氟化铍的混合物，即氟锂铍熔岩。这一组合使熔盐具有双重功能，可作为增殖介质，有些聚变中子与锂原子相互作用，并转化为氚。然后，将氚过滤出来，回收作为聚变燃料。氟锂铍是与麻省理工学院等离子体科学与聚变中心正在进行的合作研究的重点，该项目由美国能源部能源高级研究计划局资助，是美国能源部的几个项目之一，通过提供资金、配接私营企业与美国能源部国家实验室合作，推动聚变研究向前发展。但氟锂铍是否会比其他方法(如果有的话)更好，还只能是猜测。美国能源部资助的研究合作说明了各国和地区在方法上的差异。在大多数国家和地区，核聚变是在政府指定的发展道路上进行的。“在美国，我们加快核聚变能源研发的新战略是与私营部门合作，配套公共资金，撬动并鼓励私人资本流向一系列多元化的核聚变技术和商业化方法。”美国能源部的斯科特•许(Scott Hsu)这样说。2023年5月，美国能源部宣布将提供4600万美元的里程碑资金，通过公私合作推进核聚变的商业发展。这些投资，连同源源不断的技术突破，增强了人们对可能加速实现核聚变发电的信心。2023年5月，微软与聚变初创公司Helion Energy签署了世界上首个聚变能源购买协议。Helion Energy公司目前正在建设的反应堆计划在2028年开始生产50兆瓦电力。最近，核聚变工业协会对私营核聚变公司的专业人士进行了一项调查，结果发现，93%的受访者认为，到21世纪30年代，核聚变发电站将开始向电网供电，高于2022年的83%。

由于气候变化的影响不断恶化，对于索尔博姆和其他业内人士而言，这一天来得不够快，他们希望更快地推动技术向前发展，尽早提供清洁的无碳能源。索尔博姆说：“尽管这一天来得还不够快，但我们在过去十年取得的进步还是有一点超现实。十年前，我写了一篇关于使用高温超导磁体制造核聚变能源的学术论文，现在我们正在建造这样的磁体。我看着它在自己身边发生。也许到2050年，我们真的能够将上万个此类电厂推向世界，解决气候危机。每次我开车到停车场的时候，我都会想到这个问题。”