超導電纜「毒蛇(VIPER)」(Podcast上線)

閱讀時間約 3 分鐘
2020/10/14 的Nature登出「室溫超導體」的報導,Tc 可以達到破紀錄287.7K(攝氏15度)!只是要應用可能難了一點,因為這要在 267 GPa的壓力(大氣壓力的258萬倍)下才會發生,所以要應用還很難。倒是在前一天(2020/10/13)MIT發了新聞稿,發表了新型的高溫超導纜線裝置,可以拿來建造核融合爐用來拘束高溫電漿的電磁鐵,這種纜線名稱很殺,叫做「毒蛇」(VIPER),名稱來自「Vacuum pressure impregnated, Insulated, Partially transposed, Extruded, and Roll-formed」(怎麼看都是好強引的縮寫啊…)。
左:VIPER的設計,深紅色部分是銅,螺旋纏繞在銅軸四條灰色方形線是高溫超導體,中央白色圓圈是注入液態氮的管路;右:VIPER的實體。(來源:Superconductor Science and Technology)
這種纜線使用「釔鋇銅氧高溫超導體」(朱經武院士與吳茂昆院士的貢獻),可以比傳統超導體纜線製成的超導磁鐵提供更高的磁場,超過 15 Tesla,也就是地球磁場的 30 萬倍左右。這有什麼好處呢?核融合爐的能量密度跟磁場的四次方成正比,也就是說,當磁場兩倍的時候,同樣功率的融合爐大小可以變成原來的 1/16,也就是說:
(可以裝在鋼彈 上的)小型化的核融合爐要來啦!
講到小型核融合爐,當然就是鋼彈啦!(ⓒ富野由悠季/SUNRISE)
這麼讚的東西,為什麼以前不拿出來用呢?超強磁場給他催下去啊,趕快做鋼彈啦,還等什麼?!原因是這樣的:
  1. 核融合爐需要強磁場來拘束高溫電漿
  2. 這麼強的磁場要用電線繞成的電磁鐵,需要很大的電流
  3. 用傳統導體大電流、高電壓會有很強的電流熱效應,一下子就把電磁鐵燒掉了
  4. 改用超導體,在超導態下沒有電阻,不會發熱,讚!「傳統超導體」是金屬或是合金材料,可以用來繞電磁鐵給核融合爐用,例如ITER使用的就是「鈮鈦合金」的超導磁鐵。
  5. 可是磁場要是太大,超導態會被破壞,這時候電阻回來,電流熱效應回來,電磁鐵就被燒掉了,所以即使使用超導磁鐵,也會有可支撐磁場的上限,稱為「臨界磁場」,ITER所用的磁鐵,可以支撐11.8 Tesla的磁場。
  6. 高溫超導體除了超導轉變溫度較高以外,臨界磁場也比較高,可以製造更大的磁場來拘束電漿,可是!高溫超導體是又硬又脆的陶瓷材料,不像傳統超導體是金屬可以拉線繞成線圈。
上述第 6 點大大限制了高溫超導體的應用。這次MIT的VIPER,採用了相當精巧的設計,把高溫超導體包覆在銅纜線裡面,正中央再開一個洞灌冷卻用的液態氮進去,就成為一條超導纜線了,纜線的力學性質也克服了陶瓷難以應用的缺點,可以彎曲纏繞,而且同時保有超導的電磁性質,未來可望應用在核融合技術中,讓核融合爐變得更小,而且更便宜:傳統超導體得用液態氦冷卻,高溫超導用的是液態氮,兩者的價格大概是「XO白蘭地」與「礦泉水」的差別。
這個研究發表於 10 月 7 日的「Superconductor Science and Technology」期刊。
準備好迎接宇宙世紀吧!
  • 超中二物理宅雜記
  • 等我征服世界就把超導物理學列為全人類必修
  • 生命宇宙與萬事萬物什麼都馬跟物理有關
  • 話都給我講就好其之202
Superconductor Science and Technology 論文:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6668/abb8c0
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