記得漫威電影鋼鐵人打造的「方舟反應爐」(Arc Reactor) 嗎?麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology, MIT) 團隊打算將方舟反應爐帶入現實,一切源自於 2015 年的一堂課!教授 Dennis Whyte 與一群學生就一個核融合最根本的挑戰相互腦力激盪:如何設計出能產生淨能量的反應爐?

最後,教授與學生決定利用高溫超導體 (High-temperature superconductor)著手打造自己的核融合反應爐。

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目前,地表最大的核融合反應爐仍在法國興建中:直徑 12.4 公尺的國際熱核融合實驗反應爐 (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 預計將產生高達 500 兆瓦 (Megawatt) 的功率。

MIT 團隊認為新掌握的技術能讓他們用更快速且更便宜的方式造出一台尺寸更小但功率相當的反應爐。受鋼鐵人電影啟發,團隊決定這個設計架構命名為「方舟」(ARC),雖然與電影相比 MIT 直徑 6.6 公尺的方舟反應爐仍為龐然巨物,但已經是 ITER 尺寸的一半。

造出地表最強磁場!MIT 在核融競賽拔得頭籌?

為了驗證「方舟」的設計構想,MIT 先打造出一台更小 (直徑 3.7 公尺)、代號為 SPARC 的原型機。

現有核融合架構多數倚賴源於 1950 年代的托卡馬克 (Tokamak) 架構,利用銅線打造的磁線圈控制核融合反應爐中心的電漿。ITER 設計的反應爐利用低溫超導體 (Low-temperature superconductor) 取代傳統銅線,而 MIT 則認為由稀土鋇銅氧化物 (Rare-earth barium copper oxide, REBCO) 構成的高溫超導體能在更小的空間內產生更強的磁場。

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除了最關鍵的超導體外,MIT 的方舟反應爐也引進了一些革新的設計。其中包含使用氟化鋰鈹 (FLiBe) 熔鹽做出全液態覆蓋層,使其能更有效調節反應過程釋放出的中子。

2021 年九月MIT 的模型初步測試成功,產生高達 20 特斯拉 (Tesla) 的磁通量密度。MIT 表示,這是地表上有史以來所創造出的最強磁場。SPARC 預計將在 2025 年建造完成。到時 MIT 希望能初步產生 140 兆瓦的功率,輸出大約三到六倍用於保持運行所需的電力。

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