[科技谈]“超导带材”能否实现核聚变之梦

by Lim Juhyeong

Published 13 Aug.2023 08:00(KST)

Updated 20 Dec.2023 10:39(KST)

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尽管国际学界对LK-99质疑升温
“高温超导体”技术稳步发展
在高于绝对零度的零下180度实现运行

随着国内研究团队发现的疑似超导体材料“LK-99”遭到国际学界日益浓厚的质疑，实现常温常压超导体的梦想似乎又一次被拉远了。不过，超导技术在过去数十年间并非停滞不前。

位于美国、英国等国的凝聚态物理（Condensed-matter physics）研究机构长期致力于研发在相对较高温度下也能工作的超导体，最近甚至成功实现了“超导带材”的大规模量产。一旦这种材料真正取得成功，就有望大幅提前核聚变发电商业化的时间表。

超导体。罗切斯特大学供图

事实上，高温超导体（High Temperature Superconductor，HTS）早已存在。只是超导体领域所说的“高温”，远低于普通人的温度概念。

一般而言，具有超导性的物质必须被冷却到接近绝对零度（摄氏零下273度）附近，才会出现超导相变，但部分物质在远高于这一温度的条件下也能发生相变。

例如，钇钡铜氧化物（YBCO）超导体在约零下180度附近就能表现出超导性。当前学界将这类物质归类为高温超导体（HTS）。

Commonwealth Fusion与美国麻省理工学院核聚变中心合作开发的YBCO高温超导带材。MIT提供

零下180度在日常生活中使用仍然非常困难。但在真正实现常温常压超导体仍遥不可及的当下，这类材料的确是最具经济性、也最有商业化前景的候选之一。

尤其是多家开发核聚变反应堆的初创企业正重点关注这类高温超导体。以从美国麻省理工学院（MIT）分拆出来的核聚变电站开发公司“Commonwealth Fusion”为例，该公司是最早将YBCO超导体制成带材并由此制造出超导电磁铁的企业之一。

所谓超导带材，是指在带状基材表面涂覆具有超导性的合金所得的材料。Commonwealth Fusion生产出长达1万平方厘米的这类超导带材后，将其紧紧缠绕成字母“D”形，制成了电磁铁。这种超导电磁铁可以在约零下200度、即相对高于传统超导体的温度下工作，并能产生高达20特斯拉（T）的磁场强度。

电磁铁是核聚变反应堆的核心设备之一，同时也是阻碍核聚变商业化的主要难题之一。通常，核聚变反应堆需要产生摄氏1亿度的高温等离子体来发电，而用磁场束缚并稳定该等离子体的关键部件，正是超导电磁铁。一般认为，只有具备约20特斯拉的磁场强度，才能实现托卡马克装置的稳定运行。

英国Tokamak Energy公司的REBCO高温超导带材。此类超导带材虽然尚未达到室温，但可以在比传统超导体高得多的温度、约零下200至零下180度条件下工作。Tokamak Energy提供

还有其他超导带材候选材料。例如同样被认为能在零下200至零下180度之间发生超导相变的高温超导体“稀土钡铜氧化物”（REBCO）。

英国核聚变反应堆开发初创公司“Tokamak Energy”一直看好基于REBCO的超导带材的潜力。

Tokamak Energy近期成功开发出REBCO超导带材原型，并计划在今年内推进名为“Demo 40”的超导电磁铁制造项目。据称，Demo 40的冷却效率约为传统超导体的5倍。

当关于LK-99可能是在常温常压下也能工作的超导体这一消息刚刚传出时，一些知名核聚变研究者也表示备受鼓舞。

加拿大核聚变研究者、曾在因获得Jeff Bezos这位亚马逊创始人投资而知名的核聚变初创公司“General Fusion”任职的Andrew Cote也曾预测称：“如果LK-99属实，其经济效应最高可达4.5万亿美元（约合5900万亿韩元）。”

如果存在一种在室温下就能发生超导相变的物质，那么即便不将系统冷却到零下200度，也能束缚核聚变反应堆中的等离子体。如此一来，反应堆的发电量就能轻松超过维持等离子体所消耗的电力。

这正是尽管过去数十年间人类在期待与失望之间反复徘徊，却始终无法放弃常温常压超导体梦想的原因所在。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。