新型“无绝缘”磁体为持续的核聚变反应创造空间

美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家们设计了一种新型磁铁，可以帮助各种设备，从被称为托卡马克的甜甜圈形状的聚变设施，到创建人体详细图像的医疗机器。

托卡马克（Tokamaks）依靠一个被称为螺线管的中央电磁铁产生的电流和磁场来限制等离子体（由自由电子和原子核组成的热的带电物质状态），因此聚变反应可以发生。但是，随着时间的推移，暴露在等离子体发射出的高能亚原子粒子（即中子）中，电磁铁电线周围的绝缘会退化。如果发生这种状况，磁铁可能会失灵，并降低托卡马克利用聚变能量的能力。

而在这种新型磁铁中，金属起绝缘作用，因此不会被微粒损坏。此外，它将在比目前超导电磁体更高的温度下工作，使其更容易维护。

核聚变是驱动太阳和恒星的能量，它以等离子体的形式结合轻元素，以产生大量的能量。科学家们正在寻求在地球上复制核聚变，以获得几乎取之不尽的电力供应。

PPPL的首席工程师翟玉虎（Yuhu Zhai）表示：“我们的创新既简化了制造过程，也使磁体对聚变反应产生的辐射更具容忍度。如果，我们设计的电站可以连续运行几个小时或几天，那么我们就不能使用现有的磁铁。这些设备将比现有的实验设备产生更多的高能粒子。目前的磁铁，对未来的设施（如商业聚变发电厂）来说不够支撑足够长的时间。”

电磁铁不同于将冰箱贴固定在冰箱门上的简单永磁体。 电磁铁由一个绝缘导线线圈组成，该线圈承载电流，在流动时会产生磁场。 电磁体用于各种设备，从托卡马克到在垃圾堆中吊起被废金属的起重机，以及扫描人体内部的磁共振成像设备。

上图：PPPL的首席工程师翟玉虎，这是他对托卡马克聚变反应堆磁体研究的详细图片。

首席工程师翟玉虎和其他人已经建造了一个磁铁原型，并取得了令人鼓舞的结果。翟玉虎解释道：“在我们的测试中，我们设计的磁铁产生了电线所能承载的最大电流的83%，这是一个非常好的量级。在设计和制造高功率磁铁时，科学家通常只使用70%的超导导线电流容量。而在法国建造的国际核聚变设施 ITER 中使用的大型磁铁通常只使用50%。”

这种新型磁铁的导线由铌和锡元素构成，铌有时用于喷气发动机。当以一种特殊的方式加热时，这些元素就会形成一种超导体，允许电流在极低的温度下毫无阻力地流过。因此，用绝缘材料来防止电流泄漏的必要性大大降低。

PPPL的总工程师罗伯特·埃利斯（Robert Ellis）表示：“这个新概念很有趣，因为它允许磁铁在很小的空间内携带大量的电流，从而减少了托卡马克中磁铁所占的体积。与现在的磁铁相比，这种磁铁还可以在更高的电流密度和更强的磁场下工作。这两种品质都很重要，将会降低成本。”

总而言之，这一新的技术将对聚变能源的发展产生深远的影响。PPPL的首席科学官迈克尔·扎恩斯托夫（Michael Zarnstorff）说：“这是制造电磁铁方式的革命性变化。只用金属制造磁铁，不需要使用绝缘材料，这样就省去了很多昂贵的步骤，减少了线圈发生故障的机会。这是非常重要的进步。”

翟和全国和世界各地的合作者现在正在与私营企业合作，进一步开发无绝缘原型。 这种新型的基于高温超导体的电磁铁可以成为试点聚变发电厂的基础组件。

本文的研究得到了美国能源部科学办公室（聚变能源科学）和普林斯顿-日内瓦大学国际研究合作基金的支持。 合作者包括 Bruce Berlinger (PPPL)、Christian Barth（CERN，欧洲核研究组织）和 Carmine Senatore（瑞士日内瓦大学）。

目前，PPPL的首席工程师翟玉虎和合作团队正在与私营企业合作，希望进一步开发一种无绝缘的原型。这种新型高温超导体电磁铁可以作为试验性聚变电厂的基础部件。

该研究得到了美国能源部科学办公室（核聚变能源科学）和普林斯顿-日内瓦大学国际研究伙伴基金的支持。合作者包括：Bruce Berlinger（PPPL）、Christian Barth（CERN，欧洲核研究组织）和Carmine Senatore（瑞士日内瓦大学）。

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