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超导材料的新发现为核聚变开辟了新的道路
发布:lee_9124   时间:2015/11/23 12:27:23   阅读:842 
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ARC聚合反应器概念设计图。其尺寸和目前英国使用的JET相同,但是其磁场强度高三倍。ARC预计可产生500 MW的氘—氚聚变燃料动力。

在核反应器设计中,超导体通常用于产生磁场,从而达到一亿摄氏度的等离子体。虽然通过增加磁场强度可以提高反应器的性能,但是传统的低温超导材料在高强度磁场条件下或许性能会下降。如今,这种可以在高磁场条件下操作的新型高温超导材料为新型低成本核聚变能源开辟了新的道路。

聚变等离子体性能的典型测试方法被称为“等离子β”,即等离子压力和磁场压力的比率。高的β,即获得需要的等离子压力的同时磁场强度低,有助于减少在聚变反应堆中使用的超导磁体的成本。因此,很多人认为核反应堆需要在适度的磁场强度下将等离子β最大化。然而,在高β条件下进行操作时,会让等离子突破其性能极限,因此会使得其非常不稳定。但是等离子β并不是唯一需要考量的因素。另一个比率,即等离子体的尺寸和离子回旋半径的比率,也会决定总的能量约束和等离子体性能。在增加磁场强度的同时,减小离子回旋半径,从而可以在减小聚变装置尺寸的前提下保持性能不便。这种方法也可以降低β,同时其等离子操作也会在稳定性范围之内。

当科学家开发出了这两种途径来提高性能的同时,最近报道的“高温超导”有更高磁场提供了一种新的途径,且其临界电流即便在很高的磁场强度下也不会衰退很快。因此这应该被称为高温高磁场超导材料。根据tokamak设计,这种场强极限主要是由保持磁铁一起的结构组件最大允许的应力决定的,而不是由超导材料的本征极限决定的。

运用传统超导技术获得的最激进的tokamak设计的磁场强度极限可以达到6特斯拉。通过将轴向磁场强度增加到10特斯拉左右,概念设计表明,目前世界上最大的tokamak设计JET,其聚变能量可以达到500 MW。高温、高磁场超导体也使得设计人员可以将磁线圈结合到反应器中,从而极大地改善其灵活性和反应器系统的可维护性。虽然还有很多物理上和技术上的问题亟待解决,但是从tokamak设计实验中获得的实验经验为探索使用新型高温高磁场超导技术来进行能源产生反应器的设计开辟了新的道路。


来源:新材料在线
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