2021-ci ilin sentyabrın 5-i sabahı saatlərində, MIT-nin Plazma Ciğayırı və Füziya Mərkəzi (PSFC) laboratoriyalarında, yüksək temperaturda süperprovodnik materialdan hazırlanmış yeni növ magnit dünya rekordini 20 tesla magnit sahə gücündə başa çatdı. Bu, net dərəcədə güc çıxımı gözlənilən və həqiqətən limitsiz güc istehsal etmə yarımını açmaq olaraq füziya elektr istasyonu inşa etmək üçün lazımi intensivdir.
İmtahan həmidən əvvəl uğurlu ilan edildi, çünki yeni füziya üsulu təsnifində dizayn üçün qurulmuş olan bütün kriterlərə cavab verdi, bu üsulun adı isə SPARC-dır və magnitlər əsas texnologiyadır. Təcrübəçi komandası bu uğuru mümkün etmək üçün uzun və çətin işlər apariblər, şampaniyadan köpük çıxardılar və uğurlarını göstərdilər.
Amma bu prosesin sonu deyil idi. Növbəti ayda komanda magnitin elementlərini söndürdü və inlayıb, yüzlerce təşkilatın məlumatlarını nümayiş etdilər və analiz etdilər, eyni magnit üzərində iki əlavə təcrübə aparıb, nəhayət onu pozma nöqtəsinə gətirdilər ki, possibli fayl modların detallarını öyrənsinlər.
Bütün bu iş indi PSFC və MIT spinout şirketi Commonwealth Fusion Systems (CFS)-in araşdırıcılarının tərtib etdiyi detallı bir hesabatla bitib, mart ayının xüsusi nömrəsində alt rəylənmiş peyvəndlənmişaltı məqalənin topluluğunda dərc olunub. IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Ümumi olaraq, makalalar magnitın dizaynı və inkişafı, onun performansını qiymətləndirmək üçün lazım olan diagnostik texnikalar haqqında, eyni zamanda prosesdən alınmış təcrübələr haqqında danışır. Tövsiyələr və kompüter modelleməsi çox dəqiq isə, bu da magnitin unikal dizayn elementlərinin füziya elektrik stansiyasının əsasını qurmaq üçün uyğun olduğunu təsdiqləyir.
Amilləşmiş füziya gücünü etkinləşdirən
Magnitin uğurlu testini PSFC-nin direktoru kimi əməkdaşlıq edib və sonradan bu pozisiyadan uzaklaşan Hitachi Amerika Injeneriyyat Profesoru Dennis Whyte deyir ki, mənim rəyimlə, bu son 30 il ərzində füziya araşdırmasında ən vacib şey idi.
5 sentyabr təbləğindən əvvəl, mövcud ən yaxşı süperkonduktor maqnetləri füziya enerjisi ilə potensial olaraq uğurlu ola bilərdi — lakin bu, praktik olmayan və iqtisadiyyədən uyğun olmayan ölçülərdə və qiymətlərdə yalnız. Sonra, testlər kəsr ölçülərdə belə güclü bir maqnetin praktiki olaraq istifadə edilə biləcəyi göstərdikdə, “bir gecəlik, füziya reaktoru üçün vahid watta görə maliyet nəqələn bir gün daxilində həqiqətən 40-dən çox dəfə dəyişdi,” deyir Whyte.
“İndi füziya şans aşkar etdi,” deyir Whyte. Tokamaklar, eksperimental füziya cihazları üçün ən yayılmış dizaynlardır, “mənim rəyimə görə, tokamaklar iqtisadi olmaqla şansı var, çünki tanınmış qapalama fizikasının qaydaları ilə sizin yetəsizliklərinizdə kvant dəyişikliyi var, füziyanı mümkünsüz edəcək obyektlərin ölçüsünü və maliyetini böyük dərəcədə azaltmaq mümkün olur.”
PSFC'nin magnit testindən alınan kaps daxili məlumat və analiz, altı yeni məqalədə ətraflı şəkildə izah edilən kimi, yeni nesil füziya üsullarının — MIT və CFS tərəfindən dizayn edilmiş olan və digər ticarət füziya kompaniyalarının bənzər dizaynları — elmi əsas üzərində inşa edildiyini göstərməyə kömək etdi.
Üstün süperprovodçuluk
Füziya, əhəngli atomları birləşdirərək daha ağır birini yaradma prosesi, günəş və yıldızların gücünü təmin edir, lakin bu prosesi Yer üzərinə həssaslaşdırmağa nail olmaq çox çətin bir təcrübədir, eksperimental cihazlara əylərlə iş və milyardlarla dollar xərclənib. Uzun müddət axtarılan, amma hələ də nail olunmamış hədəf, daha çox enerji təşviq edən bir füziya elektr stansiyası qurmaqdır. Belə bir elektr stansiyası iş zamanı qırmızı eva gazlarını emirmədən elektrik yarada bilər və çox az radyoaktif atıqlar yarada bilər. Füziyanın yanacağı, dəniz suyu üçün çevrilməsi mümkün hidroqenin formasıdır və praktik olaraq sinirsizdir.
Amma bunun işləməsini təmin etmək, yanacağı istisna qədər yüksək temperatur və basinqdə sıxmaq tələb edir, və heç bir tanınan material bu temperaturu dayanıraq saxlaya bilməzdi, beləcə də yanacək maddə çox güclü magnit sahaları ilə yeri tutulmalıdır. Bu qədər güclü sahaların yaradılması süperprovodnikli magnitlər tələb edir, amma əvvəllərdəki bütün fuziya magnitləri, azadi sıfırından yalnız 4 dərəcəyə (4 kelvin, və ya -270 dərəcə Selsi) yüksək temperaturda işləyən bir süperprovodnik materialdan hazırlanmışdı. Son illərdə nədir-nədir yeni material, nad metall bazili barium kampyum oksidindən (REBCO kimi tanınıran) fuziya magnitlərinə əlavə edilib və onların 20 kelvin temperaturasında işləməsinə imkan verib, bu temperatur, yalnız 16 kelvin daha ısındıqca da, material xüsusiyyətləri və praktiki inžiniring cihətlərindən nəzərə alınarsa böyük üstünlüklər təmin edir.
Bu yeni yüksək temperaturda superprovodnik materialını istifadə etmək, onu mövcud maqnet dizaynlarında əvəz etməkdan ibarət deyil. Əksinə, “bu, superprovodnik maqnetləri qurarkən istifadə etdiyiniz nəzəriyyələrin həqiqətən çoxunu sıfırdan yenidən yaradma idi,” deyir Whyte. Yeni REBCO materialı “əvvəlki superprovodnik neslinə görə fərqlidir. Siz sadəcə uyğunlaşdırmaq və əvəz etmək ilə bitmirsiniz, əksinə, sıfırdan yeniliklər yaradacaqsınız.” Yenilənmiş məqalələr Əməli Süperprovodnikliyə Dair Məqalələr patent koruması yerinə yetirilib kimi, bu redesign prosesinin detallarını təsvir edir.
Əsas yenilik: heç bir izolyasiya
Başqalar tərəfindən uğurlu olma ehtimalına qarşı şübələndiyi bir çox inkişafdan biri isə, magnitni qurğulayan süperprovodnik şeritləri etrafında izolyasiyanı silmək oldu. Həqiqətən hər hansı elektrik kabelində olduğu kimi, ədəvi süperprovodnik magnitləri tamamilə izolyasiya materialları ilə müdafiə edilib ki, bu, kabel arasındakı qısa devirə qarşı xəffəfliyi Saxlaya bilsin. Amma yeni magnitdə, şerit tamamilə açıq qalıb; mühəndislər isə REBCO-nun çox daha yüksək əlaqəsindən istifadə edərək materialın içindən cür saxlamaqla bağlı oldular.
“Bu proyektə başladığımız zaman, yəni gətirək ki 2018-ci il, yüksək temperaturdakı süperprovodnikləri istifadə edərək böyük ölçülü yüksək-maydandakı magnitlər qurulması texnologiyası əvvəllikdə idi,” deyir Zach Hartwig, Nüclear Elm və İnqiniringi Bölməsindəki Robert N. Noyce Karyera İnkişafı Profesoru. Hartwig, PSFC-də əmili təyinatda yer alır və magnit inkişafı proyektini rəhbərlik edən inqiniring qrupunun rəisi dir. “Ən yeni texnologiya masadakı kiçik eksperimentlər idi, bu da tam ölçülü şey qurmaq üçün necə olduğunun təmsili deyilirdi. Magnit inkişafı proyektimiz masadakı ölçübəcəyi ilə başladı və çox qısa vaxtda tam ölçüyə çatdı,” diyor o, və komanda təxminən 20,000 funtlıq bir magnit qurdular, bu isə yalnız 20 tesla-dan az olmayan sadəcə düz və sabit magnit maydonu yaradırdı — böyük ölçülərdə həmin maydanda daha əvvəl heç kəs buna yetə bilmiş deyil.
“Bu mıknatısları qurmağın standart üsulu budur: əsasən, əlaqəçini sararsınız və sarmallar arasına izolyasiya yerləşdirilir, və atipik hadisələr zamanı, məsələn, söndürmə zamanı yaranan yüksək voltajlar ilə bağlı olan problemləri həll etmək üçün izolyasiya lazımdır.” O deyir ki, izolyasiya səviyyələrini silmək, “düşük-voltajlı sistem olmasına xüsusi faydası var. Bu, istehsal proseslərini və reytinqi çox daha asandırır.” Bundan əlavə, bu digər elementlər üçün daha çox yer buraxır, misal üçün, daha çox soqlama və ya güclü struktur üçün daha çox yer.
Mıknatıs montajı, CFS tərəfindən Massachusetts ştatının Devens şəhərində indi inşa edilən SPARC füzyon cihazının donut forması odadını təşkil edəcək olanlardan biraz daha kiçik ölçülü versiyasıdır. Bu, 16 paltalarından (pancakes) ibarətdir, hər biri superprovodnik şeridinin spiral sarmalına malikdir və digər tərəfində helium gazy üçün soqlama kanalları var.
Amma izolyasiya olmayan dizayn riskli hesab edilib və imtahan proqramına çox şey bağlıydı. "Bu, adi ölçüdəki ilk magnit idi ki, magnitləri dizayn etmək, inşa etmək və imtahan etmək ilə əlaqədar olan məsələləri tədqiq etmişdir, bu socalqıda izolyasiya olmayan və buraxılış texnologiyasını adlandırmışlardı", deyir Hartvig. "Biz bunun izolyasiya olmayan spiral olduğunu bildirdikdən sonra, bu əməkdaşlıq üçün çox böyük bir sürpriz oldu."
Limitə qadar və ondan əvvəl
Əvvəllərki məqalələrdə təsvir edilən ildiş imtahani, dizaynın və istehsal prosesinin yalnız işlədiyi bəlkə də yüksək dərəcədə stabil olduğu isbat etdi — bu da bəzi araşdırıcıların şübhələndiyi şey idi. Sonrakı iki imtahan da 2021-ci ilin sonunda yerinə yetirilib və cihazı limitə qadar dayandırmaq üçün naməlum şərtlər yaradıb, daxil olunan gücün tamamının bağlanması nəticəsində katastrofik dərəcədə istilik artımı baş verə biləcəyi zamanları yaradı. Bu, belə magnitlərin işləməsinin ən pis hadi kimi nəzərdə tutulan quench adlanan prosesdir, bu da təsnifatın pozulmasına səbəb ola bilər.
Test proqramının missiyasının bir hissəsi, Hartwig-in deydiyi kimi, “tam ölçülü bir magnitləri əsasən söndürmək və ondan asılı olaraq əlaqəli məlumatları əldə etmək, elmləri inkişaf etdirmək, dizayn kodlarını təsdiqləmək və sonra magniti ayırmak, nə səbəbindən yanlış gittiyini anlamaq və növbəti iterasiyada bunu düzəltmək üçün nə etməli olduğumuzu müəyyənləşdirməkdir. … Bu, çox uğurlu bir test idi.”
Son test, 16 pankekədən birinin bir buruğunun eriyib bitdiyi ilə bitmişdir və Hartwig deyir ki, bu yeni məlumatların çoxu alınmışdır. Birincil olaraq, onlar magnitın işləməsinin müxtəlif aspektlərini dəsign etmək və performansını proqnoz etmək üçün bir neçə fərqli hesablama modellərindən istifadə edirdilər və əksər hallarda, modellər ümumi proqnozlarında uyuşurdu və sıradakı testlər və həqiqi dünyada ölçmələrlə yaxşı şəkildə validasiya edilib. Amma quenç-in təsiri haqqında modellərin proqnozlari fərqlidir, beləliklə, modellərin validasiyasını qiymətləndirmək üçün eksperimental verilənləri əldə etmək lazımdı.
“Ən yüksək səslilikdəki modellər, maqnit necə istiqamətlənəcəyi, quenç başladıqda ne dərəcədə istiqamətlənəcəyi və maqnit üzərindəki zədələnmə nəticəsində hansı yerlərdə olacaq təxminimizə əlaqədar oldu,” deyir. Yeni hesabatların birində detallı şəkildə izah edildiyi kimi, “Bu sınama bizə tamamilə fiziğin nə olduğunu göstərdi və bizə gələcəkdə istifadə edilə biləcək və ya yanılıqlı olduğu üçün tərk edilməli olan modelləri aydın etdi.”
Whyte deyir ki, “Əsasən, köylərin bütün digər xüsusiyyətlərini sınamaqdan sonra, amilləşməzliklə, kövlərə ən pis şeyi etdik. Və çox böyük hissəsi zədələnmədən qaldı,” lakin müəyyən bir sahədə bəzi cürətlənmələr baş verdi. “Köv həcmindən faqat bir neçə faizin zədələndiyi göründü.” Və bu, həqiqi fuziya üsulunda maqnitlarda belə ciddi şəraitlər altındakı zədələnmələri dayandırmaq üçün dizaynın dəyişdirilməsinə səbəb oldu.
Hartwig əhəmiyyət verir ki, komanda belə bir yenilikçi yeni rekor qoyan magnit dizaynını necə başa çatdırsa da, onun əsas səbəbi Alcator C-Mod tokamakının, Francis Bitter Magnit Laboratorisi və PSFC-da yerinə yetirilən digər işlərdən on illiklər boyu toplanan derin bilik, məşqə və texnik təchizat sebəbindən idi. "Bu cür yerlərin institusional imkanlarına dair əsas nöqtəyə çatır," deyir o. "Biz bütün bu işləri bir çatı altında etmək üçün imkan, infrastruktur və mekanımız və insanlarımız vardı."
CFS ilə iş birliyi də əhəmiyyətli idi, deyir o. MIT və CFS akademik institut və öz məşqi şirkətinin ən güclü yönlerini birləşdirib, hər ikisi özünəcə edə bilməzdiyi işləri birgə etdilər. “Məsələn, proyektin ən critiki materialı olan: 300 kilometr (186 mil) yüksək temperaturada superqonucun təminatını quraşdırma və buzi çatdırmaq üçün CFS-dən gələn əsas kimi kontribüsiya, öz məşqi şirkətinin gücü ilə istifadə edərək, proyektin ən critiki materialı olan: 300 kilometr (186 mil) yüksək temperaturada superqonucun təminatını quraşdırma və buzi çatdırmaq üçün rekordsuz səviyyədə və müddətdə təmin edib, onu magnitdə planlaşdırılmış tarixdə inteqrasiya etmişdir.”
MIT-dən və CFS-dən iki komanda arasındakı inteqrasiya da uğurlara nail olmaq üçün əsas idi, deyir o. “Biz özümüzə bir komanda hiss edirdik və bu da bizə etdiyimiz işi mümkən etdirdi.”
