MIT的超導新突破，能讓人類進入無限發電時代嗎？
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作者|普子胥
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編輯|丁廣勝
超導超導，虛無縹緲？
經歷了近些年超導材料種種烏龍風波後，一則最新的消息又浮出水面，抓住了業界的眼球。
近日，美國麻省理工學院（簡稱MIT）等離子體科學與核聚變中心以及英聯邦聚變系統公司的研究團隊，就發佈了系列論文，石破天驚地論證了備受爭議的高溫超導材料，取得了前所未有的突破，能夠成爲核聚變發電站的基礎。
那麼，人類可以無限發電、徹底解決能源焦慮的時代，真的要來了嗎？
一、超導磁體，創造奇蹟？
這一次，MIT團隊，試圖重新顛覆認知。
其論文裡，證明了其研發的一種新型高溫超導磁體的磁場強度達到了20特斯拉，創下了世界紀錄。（特斯拉是磁通量密度或磁感應強度的國際單位制導出單位）
這是如何做到的？
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實際上，20特斯拉強度，正是建造核聚變發電廠所需的磁場強度。如果這一種新型高溫超導磁體的磁場強度達標，將有望產生淨輸出功率，並有可能開創一個幾乎無限發電的時代。
這一種磁體所用的材料名爲REBCO（Rare Earth Barium Copper Oxide，稀土鋇銅氧化物），可以在20開爾文的溫度下工作，無需在導體繞組之間進行復雜的絕緣處理。
而MIT團隊綜合報告，證明了這家團隊在2021年實驗中採用「高溫超導磁體」以及無絕緣的設計，是可行且可靠的。並且，這一種超導磁體，能夠將可控核聚變裝置託卡馬克的體積和成本壓縮40倍，併成功通過了科學上嚴格的測試和論證。
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作爲橫向比對，REBCO磁體較其他基於超導體的磁體所需的絕緣材料更少，並且磁體裸露，具有更強的導電性。這不僅能簡化材料的製造過程，還可以提高磁場強度和密度，讓冷卻裝置直接接觸超導帶，提高冷卻效率。
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此外，MIT團隊還在製造工藝上進行了創新。他們採用的“卷繞”技術提高了磁體的製造效率，同時保持了超導材料的完整性。
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不僅如此，報告裡，MIT團隊稱其達到了設計新型核聚變裝置（被稱爲SPARC）的所有標準。並且，實驗結束後，該團隊還拆解並檢查了磁體的各個部件，仔細研究並分析了數據。並在各種測試中，去驗證超導磁體是否能在各種極限場景下穩定工作。
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結果發現，即使在人爲製造的不穩定條件下，磁體線圈的受損部分只佔線圈總體積的百分之幾。該團隊還預計，即使在最極端的條件下，只要按照優化方案，還能避免磁體出現這種規模的損壞。
對此突破性的進展，不久前剛卸任MIT等離子體科學與聚變中心主任的Dennis Whyte則激動的表示，“一夜之間，MIT團隊將聚變反應堆的每瓦特成本幾乎降低到了1/40，讓核聚變技術商用成爲可能。在我看來，這是過去30年來核聚變研究中最重要的事情。”
“現在覈聚變有了機會。”Whyte說道。“託卡馬克是目前使用最廣泛的聚變實驗裝置設計。在我看來，託卡馬克有機會變得經濟實惠，因爲在已知的約束物理規則下，我們可以大幅減小實現聚變所需裝置的體積和成本，這是一個質的飛躍。”
那麼，這是否預示着核聚變有望很快從一個實驗室中的科學研究項目，成爲可以商業化的技術，並且爲全球提供無限的清潔能源？
這又將對我們人類產生什麼影響？
二、人類永恆的難題，是什麼？
那麼，爲什麼人們提到核聚變發電廠，就如此振奮？
因爲，人類永恆的難題，就是能源。
目前，地球上使用的能源有80%來自煤炭、石油和天然氣這類化石能源。但問題是，化石能源不可再生。如果不想坐吃山空，人類必須儘快找到更加持續、穩定和清潔的新能源。
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過去幾十年，對核能的運用，就是人類大力探索的路線之一。
現在，核能有兩種釋放能量的方式，一是核裂變，二是核聚變。目前，主要採用核裂變的核電廠已經大規模商業化。
此時，更多想象的空間，就留給了核聚變。如果人類建造“人造太陽”一類裝置，實現像太陽一樣的連續核聚變反應，就可以得到持續的能量產出，能源困局和環境危機便會迎刃而解。
此外，相比核裂變，核聚變或許是一項更優解。
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一方面，核聚變同等燃料釋放能量遠高於核裂變。另一方面，核聚變的原料容易獲取，儲量巨大。
比如，在氘-氚聚變反應中，氘原料就存在於海水中。地球地海洋中，就蘊藏了約45萬億噸的氘原料。而一瓶礦泉水中的海水可提取約0.015克的氘，聚變能相當於150升汽油，能讓一輛汽車從北京跑到廣州。
此外，氘-氚聚變反應的最終產物是氦和攜帶大量能量的中子，不會造成任何污染，對環境友好。
更重要的是，相較於核裂變發電，核聚變其產生的核廢料半衰期極短（低管理成本、核泄漏時總危害較低、最多隻有一公里內需要撤退）、並且安全性也更高，在極端失控條件下，它會在短時間內自行終止反應，安全可靠。
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但唯一的問題是，可控核聚變實現起來，難度極大。
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從原理上說，核聚變是將兩個較輕的核結合，形成一個較重的核和一個極輕的核的一種核反應形式。過程中，兩個較輕的核聚變中會產生質量耗損，從而釋放出巨大的能量。
過去幾十年，人類已經實現不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。
但是，要想獲取核聚變巨大的能量，要想這些能量被人類有效利用，就必須實現可控制的核聚變，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規模，實現持續、平穩的能量輸出。
不過，實現核聚變發電的幾大難點，一是實現上億度點火，二就是穩定長時間約束控制，以及，人工核聚變所產生的能量與觸發核聚變的能量要到達一定的比例纔能有經濟效應。
而在目前，輸入的能量大於輸出、或發生約束的時間極短等，仍然是業界難以攻克的難題。
當下，地球上要實現可控核聚變，就需要對高溫等離子體進行約束，包括利用引力約束、磁場約束、慣性約束幾種方式。其中，磁約束是我國主要發展技術路線。而通過磁場用以約束質子運動的裝置，就叫託卡馬克。
此前，中國有“人造太陽”之稱的全超導託卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）就曾創造新的世界紀錄，成功實現穩態高約束模式等離子體運行403秒，對探索未來的聚變堆前沿物理問題，提升核聚變能源經濟性、可行性，加快實現聚變發電具有重要意義。
然而，除了約束時間外，能耗仍然是一個巨大的難題。
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此時，就有超導材料的用武之地了。事實上，超導材料具有常規材料所不具備的零電阻、完全抗磁性和宏觀量子效應，能夠爲核聚變反應提供更強磁場。
這一次，MIT團隊發現的高溫超導材料製成的磁體，達到了20特斯拉的大規模磁場強度，達到了建造核聚變發電廠所需的磁場強度，足以作爲核聚變發電廠的基礎。並且，這一種新型高溫超導磁體，能夠將可控核聚變裝置託卡馬克的體積和成本壓縮40倍，併成功通過了科學上嚴格的測試和論證。
此外，高溫超導材料相比低溫超導材料，可以在較高的溫度下保持超導狀態，這將大大降低製冷成本，使得核聚變反應更加經濟可行。
如果以上驗證是爲真，那這無疑是一種巨大的突破。
三、超導超導，虛無縹緲？
不過，MIT團隊的REBCO新型材料要想真正實用，或許還有很長的路要走。
Dennis Whyte就表示，這種材料是對幾乎所有用於製造超導磁體的原理的重新設計。如果採用這種全新的高溫超導材料進行製造超導磁體，不僅僅是在前人的基礎上進行改良，而是需要從頭開始創新和研發。
從另一方面來說，MIT團隊的REBCO新型材料得可操作性，或許更需要廣泛的實踐的驗證。
事實上，近年來關於超導材料的風波、爭論、質疑，以至於最後翻車，其實並不少見。
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比如，2023年一個巨大的鬧劇風波，還歷歷在目。
這一年，迪亞斯團隊宣稱在極高壓力下合成了室溫超導材料。然而，這項研究受到了廣泛的質疑，因爲實驗條件極爲苛刻，此外，其他研究團隊嘗試複製這一結果時，未能在相同條件下觀察到室溫超導現象。
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並且，迪亞斯之前有過論文因數據篡改被撤稿的歷史。2020年，《自然》（Nature）雜誌發表的一篇首次實現 “室溫超導” 的封面論文引發轟動。其中，迪亞茲團隊創造出一種三元氫化物（C-S-H），在267萬個超高大氣壓下，實現了轉變溫度爲15攝氏度的超導電性，即觀察到常溫超導現象。
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隨後，投稿僅2個月就登上了《自然》雜誌封面，被譽爲是諾獎級的突破。
然而，迪亞茲的這項研究成果無法復現，一度成爲業內最大的槽點。迪亞茲後來稱，其在實驗過程不小心打碎了金剛石，後面也沒再重複實驗。然而，迪亞茲卻沒有重複出來金屬氫的實驗結果。最後被《自然》雜誌撤稿。
此外，近年來，韓國研究團隊也發表了室溫超導聲明，然而，後續研究表明這一發現存在問題，中國科學院物理研究所等機構發表了論文證僞了這一發現，指出實驗方法過於簡陋，難以置信。
以及，華中科技大學的研究人員在合成了一種名爲LK-99的晶體，並聲稱這種晶體具有磁懸浮的特性，這可能是一種室溫超導材料的新發現。然而，這一發現也引發了進一步的爭議和質疑，因爲其他研究團隊未能複製這一結果。
而經歷了多次烏龍和鬧劇後，超導材料則被戲稱爲：超導超導，虛無縹緲。
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不過，儘管存在質疑和爭議，超導材料的研究仍在繼續。我們將持續關注。
