MIT團隊研究高溫超導磁鐵技術，應用於核融合反應爐

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科技產業資訊室 (iKnow) - 陳品蓁發表於 2019年6月28日

圖、MIT團隊研究高溫超導磁鐵技術，應用於核融合反應爐

麻省理工學院(MIT)的研究人員Brandon Sorbom透過使用高溫超導體(high-temperature superconductors)開發的電磁系統技術，能夠實際為目前世界上最大的實驗性托卡馬克核融合反應爐(tokamak fusion reactor)提出新的設計，而且可能在短短十年內實現。

ARC(affordable, robust, compact)反應爐是一種經濟實惠、堅固、緊密的產物，它是為了要減少核融合科學設備(fusion nuclear science facility, FNSF)的大小、成本、和複雜度所設計出的概念。更強的磁場可以產生核融合反應中超熱離子體(superhot plasma)所需的磁約束(magnetic confinement)，而且是在比過去設想的更小設備中。

這個技術被詳細地描述在Fusion Engineering and Design期刊中，包括：

ARC設計概述：ARC反應爐是一種概念性托卡馬克的設計，可以用作能源生成的示範核能發電廠，也可用作D-T中子場(D-T neutron field)中集成材料和部件輻射測試的FNSF。
磁鐵系統設計：ARC的設計特點之一就是在於其使用的超導體是釔鋇氧化銅(yttrium barium copper oxide, YBCO)，它屬於稀土鋇銅氧化物(Rare-earth barium copper oxide, REBCO)。環形場(Toroidal field, TF)線圈設計用於在軸上提供9.2T的磁場，峰值可達到23T。且TF線圈有關節，易於拆卸。這個允許快速更換真空容器，減輕了第一壁塌陷(first wall survivability)的疑慮。設計點的等離子體融合增益(plasma fusion gain)為Qp≈13.6，但完全無感，適度的自舉部分(bootstrap fraction)僅約為63%。因此，ARC提供高功率增益，並具有相對較大的電流分佈外部控制。
核融合的核心設計：ARC使用全液態氮作為覆蓋層，這是由低壓緩慢流動的氟化鋰鈹(FLiBe)熔鹽所組成，並且被可拆卸的超導TF線圈包圍，便於拆卸。為了使氚增值(tritium breeding)的體積最大化，除了將真空容器懸浮在FLiBe中最小的支撐柱，亦將真空容器完全浸入連續循環的FLiBe層中。液體覆蓋層是低風險技術，提供有效的中子調節和屏蔽，優異的散熱性能，氚增殖率(tritium breeding ratio)≥1.1。FLiBe液體的溫度範圍允許900K的輸出覆蓋率。單相流體冷卻和高效氦氣布萊頓循環(Brayton cycle)，將在允許作為先導發電廠運行ARC時產生淨電力。

ITER是目前正在法國建造的世界上最強大的核融合反應爐計劃，預計耗資約400億美元。Sorbom和麻省理工學院的團隊估計，新設計的ARC大約是ITER直徑的一半，因此可以在很短的成本和更短的施工時間內產生大約相同的功率。

按照目前的設計，反應爐應該能夠產生大約三倍於保持運行所需的電力，但若持續改良技術，將這一比例將增加到大約五到六倍。到目前為止，沒有任何核融合反應爐產生的能量和它消耗的能量一樣多，因此這種淨能源生產將成為核融合技術的重大突破。

該研究得到了美國能源部和國家科學基金會的支持。(920字)

參考資料：
His high-temperature superconductors could make fusion reactors much cheaper to build. MIT Technology Review. 2019
MIT team proposes ARC fusion reactor: affordable, robust, compact. e-Hike
ARC: A Compact, High-Field, Fusion Nuclear Science Facility and Demonstration Power Plant with Demountable Magnets. Fusion Engineering and Design. July, 2015

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