Tydens die voor-dawel ure van 5 September 2021, het ingenieurs 'n groot mylpaal bereik in die laboratoriums van MIT se Plasma Wetenskap en Fusionsentrum (PSFC), toe 'n nuwe tipe magneet, gemaak van hoë-temperatuur supergeleidingsmateriaal, 'n wêreldrekord magveldsterkte van 20 tesla vir 'n groot-skaalmagneet behaal het. Dit is die intensiteit wat nodig is om 'n fusionskragstasie te bou wat verwag word om 'n nettotoegawe van krag te lewer en moontlik 'n era van prakties grenslose kragproduksie in te luis.
Die toets is onmiddellik 'n sukses verklaar, nadat dit al die kriteria wat vir die ontwerp van die nuwe fusie-toestel, genoem SPARC, gestel is, bereik het. Die magneete is die sleutelvermoëntechnologie vir SPARC. Champane kurke is gespring terwyl die moeë span van ekspermenteurs, wat lank en hard gewerk het om die prestasie moontlik te maak, hul prestatie gevier het.
Maar dit was ver van die einde van die proses. Oor die volgende maande heen het die span die komponente van die magneet uitgeskei en geïnspekteer, deurgegaan en analiseer die data van honderde instrumente wat details van die toetse opgeteken het, en twee addisionele toetslopies op dieselfde magneet uitgevoer, uiteindelik dit tot sy breekpunt gedryf om inligting oor enige moontlike falingsmodusse te verkry.
Al die werk het nou gelei tot 'n gedetailleerde verslag deur navorsers by PSFC en die MIT spinout maatskappy Commonwealth Fusion Systems (CFS), gepubliseer in 'n versameling van ses kundige-gerewiste artikels in 'n spesiale uitgawe van die Maart nommer van IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Gesamentlik beskryf die dokumente die ontwerp en vervaardiging van die magneet en die diagnostiese toerusting wat nodig is om sy prestasie te evalueer, sowel as die lesse wat uit die proses geleer is. Geheel en al het die span gevind dat die voorspellings en rekenaarmodellering presies was, wat bevestig dat die unieke ontwerpelemente van die magneet as grondslag vir 'n fusionskrigplan kan dien.
Moontlike fusionskrig moontlik maak
Die suksesvolle toets van die magneet, sê Hitachi America Ingenieurswetenskappe-professor Dennis Whyte, wat onlangs as direkteur van die PSFC getree het, 'was die belangrikste saak, in my opinie, in die laaste 30 jaar van fusieonderzoek.'
Voordat die 5 September-demonstrasie plaasgevind het, was die beste beskikbare supergeleidende magneet sterk genoeg om fusing-energie te bereik — maar slegs by groottes en koste wat nooit prakties of ekonomies haalbaar kon wees nie. Toe die toetse egter die praktisiteit van so 'n sterke magneet op 'n baie verkleinde grootte getoon het, “het dit oorblywende die koste per watt van 'n fusing-reator in een dag met 'n faktor van sowat 40 verander,” sê Whyte.
“Nou het fusing 'n kans,” voeg Whyte by. Tokamaks, die wydste gebruikte ontwerp vir eksperimentele fusing-toestelle, “het volgens my mening 'n kans om ekonomies te wees omdat jy 'n kwantumverandering in jou vermoëns ervaar, met die bekende beperkingsfisika-reëls, om die grootte en koste van objekte drasties te verminder wat fusing moontlik maak.”
Die omvattende data en analise van die PSFC se magneettoets, soos in die ses nuwe artikels beskryf, het bewys dat plannings vir 'n nuwe generasie fusionsapparate — die een wat deur MIT en CFS ontwerp is, sowel as soortgelyke ontwerpe deur ander kommersiële fusionsondernemings — gebou word op 'n vas grondslag in wetenskap.
Die supergeleidingsbreuk
Fusie, die proses waarby ligte atome saamgevoeg word om swaardere te vorm, dryf die son en sterre, maar om dié proses op Aarde te beheers, het bewys 'n oorweldigende uitdaging wees, met dekades van harde werk en baie miljard dollar wat aan eksperimentele toestelle bestee is. Die lank gesoek, maar nog nooit bereik nie, doelwit is om 'n fusiekragstasie te bou wat meer energie produseer as wat dit verbruik. So 'n kragstasie kan elektrisiteit voortbring sonder om groenhuishawwe tydens bedryf af te gee, en baie minder radioaktiewe afval genereer. Fusies brandstof, 'n vorm van waterstof wat van see-water afgelei kan word, is prakties onbeperk.
Om dit egter te laat werk, vereis dit die komprimering van die brandstof by buitengewone hoë temperature en drukke, en aangesien geen bekende materiaal sulke temperature kan verdrags, moet die brandstof in plaas gehou word deur uitermate kragtige magneetveldes. Die produksie van so sterk velds vereis supergeleiers, maar alle vorige fusionsmagneete is gemaak met 'n supergeleiingsmateriaal wat temperature van ongeveer 4 grade bo absolute nul (4 kelwines, of -270 grade Celsius) vereis. In die laaste paar jaar is 'n nuwer materiaal, genoem REBCO (vir seldsame-aarde barium koper oksied), by fusionsmagneete gevoeg, en laat hulle toe om by 20 kelwines te opereer, 'n temperatuur wat alhoewel net 16 kelwines warmer is, belangrike voordele bied ten opsigte van materiaaleienskappe en praktiese ingenieursvaardigheid.
Die gebruik van hierdie nuwe hoër-temperatuur supergeleidingsmateriaal was nie net 'n kwestie van dit plaasvervanging in bestaande magneetontwerpe nie. In plaas daarvan, “was dit 'n herontwerp vanaf die grond af van byna al die beginsels wat jy gebruik om supergeleidingsmagnete te bou,” sê Whyte. Die nuwe REBCO materiaal is “onderskeidelik anders as die vorige generasie van supergeleiers. Jy gaan nie net aanpas en vervang nie, jy gaan regtig vanaf die grond af innoveer nie.” Die nuwe artikels in Transaksies oor Toegepaste Supergeleiding beskryf die details van dié herontwerp proses, nou dat patentaansoeke beskerming het.
'n Sleutelinnovasie: geen isolasie
Een van die dramatiese innovasies, wat baie ander in die veld skepties oor sy kans van sukses gemaak het, was die verwydering van isolasie rondom die dun, vlakke bane van hoë-temperatuur supergeleiersdraad wat die magneet gevorm het. Soos byna al elektriese drae, is konvensionele supergeleier-magneete volledig deur isolerende materiaal beskerm om kortslote tussen die drae te voorkom. Maar in die nuwe magneet, is die band volkome blootgelaat; die ingenieurs het vertrou op REBCO se veel groter gevoerlikheid om die stroom te laat vloei deur die materiaal.
“Toen ons met hierdie projek begin het, sê nou in 2018, was die tegnologie van die gebruik van hoë-temperatuur supergeleiers om groot-skaal hoë-veld magneet te bou nog in sy skoontyd,” sê Zach Hartwig, die Robert N. Noyce Career Development Professor in die Afdeling Kernwetenskappe en -ingenieurswese. Hartwig het 'n mede-aanstellings by die PSFC en is die hoof van sy ingenieursgroep, wat die magneetontwikkelingsprojek gelei het. “Die toestand van die kunst was klein werktafel eksperimente, nie regtig verteenwoordigend van wat nodig is om 'n volgrootte ding te bou nie. Ons magneetontwikkelingsprojek het by werktafel skaal begin en binne 'n kort tydperk by volgrootte geëindig,” voeg hy by, terwyl hy opmerk dat die span 'n 20,000-pound magneet gebou het wat 'n stadige, ewe magneetveld van net oor 20 tesla geproduseer het — ver voorby enige so 'n veld wat ooit op groot skaal geproduseer is.
“Die standaard manier om hierdie magneet te bou, is om die gelei te wond en isolasie tussen die windings te hê, en jy het isolasie nodig om met die hoë spanninge wat tydens afwykende gebeurtenisse soos 'n skakeling af te handel.” Die verwydering van die lae van isolasie, sê hy, “het die voordeel van 'n lae-spanningstelsel. Dit vereenvoudig die vervaardigingsprosesse en -tydsgrafiek grootliks.” Dit laat ook meer ruimte vir ander elemente, soos meer koeling of meer struktuur vir sterkte.
Die magneetassamblage is 'n iets kleiner skaalversie van dié wat die donutvormige kamer van die SPARC-fusie-toestel sal vorm wat tans deur CFS in Devens, Massachusetts, gebou word. Dit bestaan uit 16 plaatte, genoem pannekoeke, elkeen met 'n spiraalwinding van die supergeleidertape aan die een kant en koelkanaale vir heliumgas aan die ander kant.
Maar die ontwerp sonder isolasie is beskou as risikabel, en baie hing af van die toetsprogram. “Dit was die eerste magneet op enige voldoende skaal wat regtig ondersoek het wat betrokke is by die ontwerp, bou en toets van 'n magneet met hierdie sogenaamde sonder-isolasie sonder-draai-tegnologie,” sê Hartwig. “Dit was baie 'n verrassing vir die gemeenskap toe ons aankondig het dat dit 'n sonder-isolasie spoel was.”
Duw na die limiet … en verder
Die aanvanklike toets, wat in vorige artikels beskryf is, het bewys dat die ontwerp en vervaardigingsproses nie net werk, maar hoogs stabiel was — iets wat sommige navorsers getwyfel het. Die volgende twee toetslopies, wat ook in laat 2021 uitgevoer is, het die toestel dan na die limiet gedu deur onstabiele toestande voorskryfbaar te skep, insluitend 'n totale uitskakeling van insettingsmag wat kan lei tot katastrofiese oortemperatuur. As quench bekend, word dit beskou as die ergste-mogelijke scenario vir die bedrywing van sulke magneete, met die potensiaal om die toerusting te vernietig.
Volgens Hartwig was 'n deel van die missie van die toetsprogram, “om in werklikheid weg te gaan en met oorleg 'n volskale magneet af te koel, sodat ons die kritieke data kan kry op die regte skaal en onder die regte toestande om die wetenskap vorentoe te bring, om die ontwerpkodes te valideer, en dan om die magneet uitmekaar te neem en te sien wat verkeerd gegaan het, waarom is dit verkeerd gegaan, en hoe beweeg ons na die volgende herhaling om dit reg te maak. … Dit was 'n baie suksesvolle toets.”
Daardie finale toets, wat met die smelting van een hoek van een van die 16 pannekoeke geëindig het, het 'n rykdom aan nuwe inligting voortgebring, sê Hartwig. Vir een ding, hulle het verskeie verskillende rekenmodelle gebruik om die ontwerp en voorspelling van die prestasie van verskillende aspekte van die magneet se prestasie te ontwerp en te voorspel, en vir die grootste deel stem die modelle ooreen in hul algemene voorspellings en is goed geverifieer deur die reeks van toetse en werklike metings. Maar in die voorspelling van die effek van die quench, het die modelvoorspellings verskil, so was dit nodig om die eksperimentele data te kry om die geldigheid van die modelle te evalueer.
„Die hoogste-troue modelle wat ons gehad het, het byna presies voorspel hoe die magneet sou oorhit, tot watter mate dit sou oorhit terwyl dit begin om uit te skakel, en waar die resulterende skade aan die magneet sal wees,” sê hy. Soos in een van die nuwe verslae beskryf word, „het daardie toets ons presies vertel wat die fisika was wat plaasgevind het, en dit het ons vertel watter modelle nuttig was om voort te gaan gebruik en watter om agter te laat omdat hulle nie reg is nie.”
Waarom sê Whyte, „Basies het ons die ergste moontlike ding aan 'n spoel gedoen, met opset, nadat ons al die ander aspekte van die spoel se prestasie getoets het. En ons het gevind dat die meeste van die spoel sonder skade oorgebly het,” terwyl 'n geïsoleerde area 'n paar smelting ondergaan het. „Dit is soos 'n paar persent van die volume van die spoel wat geskadig is.” En dit het gelei tot herwysings in die ontwerp wat verwag word om sulke skade in die werklike fusions-toestel magneete te voorkom, selfs onder die mees ekstreme toestande.
Hartwig benadruk dat 'n groot rede waarom die span in staat was om so 'n radikale nuwe rekordstellende magneetontwerp te bereik, en dit reg op die eerste probeer en op 'n breeknek-skedule te kry, tydens diepvlakkige kennis, ekspertise en toerusting was wat oor dekades van bedrywighede van die Alcator C-Mod tokamak, die Francis Bitter Magnet Laboratory en ander werk wat by PSFC uitgevoer is, opgebou is. “Dit kom regtig by die kern van die instellingsvermoëns van 'n plek soos hierdie,” sê hy. “Ons het die vermoëns, die infrastruktuur, en die ruimte en mense gehad om al hierdie dinge onder een dak te doen.”
Die samewerking met CFS was ook sleutel, sê hy, terwyl MIT en CFS die sterkste aspekte van 'n akademiese instansie en 'n privaatmaatskappy gelys het om dinge saam te doen wat geen van hulle alleen kon doen nie. “Byvoorbeeld, een van die groot bydraes van CFS was om die krag van 'n privaatmaatskappy te gebruik om 'n voorsorgketting te stig en op te skaal op 'n ongekende vlak en tydlyne vir die mees kritieke materiaal in die projek: 300 kilometer (186 myl) hoëtemperatuursuperkonduktors, wat binne minder as 'n jaar met streng kwaliteitsbeheer verkry is en volgens skedule in die magneet geïntegreer is.”
Die integrasie van die twee spanne, dié van MIT en dié van CFS, was ook kruisagtig vir die sukses, sê hy. “Ons het ons self as een span beskou, en dit het dit moontlik gemaak om wat ons gedoen het.”
