В предсветните часове на 5 септември 2021 г. инженерите постигнаха важна крачка в лабораториите на Центъра за плазмена наука и синтез на MIT (PSFC), когато нов тип магнит, направен от високотемпературен свръхпроводящ материал, постигна световна рекорда за магнитно Това е необходимата интензивност за изграждане на ядрена електроцентрала, която се очаква да произвежда чиста енергия и потенциално да въведе ера на практически неограничено производство на енергия.
Изпитването бе обявено за успешен, тъй като изпълни всички критерии, установени за проектирането на новото устройство за синтезиране, наречено SPARC, за което магнитите са ключовата технология. Шампанските капаци се спукаха, докато уморен екип от експериментатори, които дълго и упорито работеха, за да направят постижението възможно, празнуваха постижението си.
Но това беше далеч от края на процеса. През следващите месеци екипът разкъсва и проверява компонентите на магнита, проучва и анализира данните от стотици инструменти, които записват подробностите от тестовете, и извършва още два тестова обиколка на същия магнит, като в крайна сметка го изтласква до точката на с
Всички тези изследвания сега са завършили с подробен доклад на изследователи от PSFC и MIT, компанията Commonwealth Fusion Systems (CFS), публикувана в колекция от шест рецензирани статии в специално издание на мартския брой наIEEE транзакции за приложна свръхпроводност- Не, не, не. В тях се описва как са проектирани и произведени магнитите, както и оборудването за диагностика, необходимо за оценка на тяхната ефективност, както и поуките, които са извлечени от процеса. Като цяло, екипът открива, че прогнозите и компютърното моделиране са били точни, като се потвърждава, че уникалните елементи на магнита могат да служат като основа за ядрена централа.
Осигуряване на практическа енергия от синтезен синтез
Успешното изпитване на магнита, казва професорът по инженерство в Хитачи Америка Денис Уайт, който наскоро напусна поста директор на PSFC, е "най-важното нещо, според мен, през последните 30 години от изследванията на синтеза".
Преди демонстрацията на 5 септември най-добрите налични свръхпроводни магнити са били достатъчно мощни, за да постигнат потенциално енергия от синтез, но само при размери и разходи, които никога не биха могли да бъдат практически или икономически жизнеспособни. След това, когато изпитанията показаха практическата ефективност на такъв силен магнит при значително намален размер, "през нощта" това по същество промени цената на вата на синтезния реактор с фактор почти 40 за един ден, казва Уайт.
Сега синтезът има шанс, добавя Уайт. Токамаките, най-широко използваният дизайн за експериментални устройства за синтез, имат шанс, според мен, да бъдат икономични, защото имате квантова промяна в способността си, с известните правила на физиката на затвореността, да можете значително да намалите размера и цената на обектите,
Изчерпателните данни и анализът от теста на PSFC на магнит, както е подробно описано в шестте нови статии, показват, че плановете за ново поколение устройства за синтезиране този, проектиран от MIT и CFS, както и подобни проекти от други търговски компании за синтезиране
Пробивът в свръхпроводниците
Фюзията, процесът на комбиниране на леки атоми, за да образуват по-тежки, захранва слънцето и звездите, но използването на този процес на Земята се оказа огромно предизвикателство, с десетилетия на упорита работа и много милиарди долари, похарчени за експериментални Дълго търсената, но все още неизпълнена цел е да се построи ядрена централа, която да произвежда повече енергия, отколкото консумира. Такава електроцентрала би могла да произвежда електричество, без да изпуска парникови газове по време на експлоатация и да генерира много малко радиоактивни отпадъци. Топливото от синтеза, форма на водород, който може да бъде получен от морска вода, е практически безгранично.
Но за да работи, горивото трябва да се компресира при изключително високи температури и налягания, а тъй като никой известен материал не може да издържи на такива температури, горивото трябва да бъде задържано на място от изключително мощни магнитни полета. За да се произвеждат такива силни полета са необходими свръхпроводящи магнити, но всички предишни синтетични магнити са направени от свръхпроводящ материал, който изисква студени температури от около 4 градуса над абсолютния нула (4 келвина или -270 градуса по Целзий). През последните няколко години към синтезните магнити е добавен по-новият материал, наречен REBCO, за редкоземен барий меден оксид, и им позволява да работят при 20 Kelvin, температура, която въпреки че е само 16 Kelvin по-топла, носи значителни предимства по отношение на свойствата на матери
Използването на този нов свръхпроводящ материал с по-висока температура не е просто въпрос на заместване в съществуващите магнитни конструкции. Вместо това, това беше преработка от основи на почти всички принципи, които използвате за изграждане на свръхпроводни магнити, казва Уайт. Новият материал REBCO е изключително различен от предишното поколение свръхпроводници. Вие не просто ще се адаптирате и замествате, вие всъщност ще иноватирате от основи. Новите вестници вСделки за прилагана свръхпроводностОпишете подробностите на този процес на преработване, сега, когато патентната защита е на място.
Ключово нововъведение: без изолация
Едно от драматичните нововъведения, което накарало много хора в областта да се съмняват в шансовете му за успех, е елиминирането на изолацията около тънките, плоски ленти от свръхпроводяща лента, които образуват магнита. Както почти всички електрически проводници, и конвенционалните свръхпроводни магнити са напълно защитени от изолационен материал, който предотвратява късо съединение между проводниците. Но в новия магнит лентата е оставена напълно гола; инженерите разчитат на много по-голяма проводимост на REBCO, за да поддържат тока да тече през материала.
"Когато започнахме този проект, да кажем през 2018 г., технологията за използване на свръхпроводници с висока температура за изграждане на мащабни магнити с високо поле беше в началото си", казва Зак Хартвиг, професор по развитие на кариерата на Робърт Н. Нойс в катедрата по ядрени науки Хартвиг е съотделник в PSFC и е ръководител на инженерната група, която ръководи проекта за развитие на магнитите. Състоянието на изкуството е било малки експерименти на скамейката, които не са наистина представителни за това, което е необходимо за изграждане на нещо в пълен размер. Нашият проект за разработване на магнит започна в мащаб на скалата и завърши в пълен мащаб за кратък период от време", добавя той, като отбелязва, че екипът е построил магнит с тегло 20 000 паунда, който произвежда стабилно, равномерно магнитно поле от
Стандардният начин за изграждане на тези магнити е да навъртите проводника и да имате изолация между намотките, и имате нужда от изолация, за да се справите с високите напрежения, които се генерират по време на необичайни събития като изключване. Той казва, че премахването на слоевете изолация има предимството да бъде система с ниско напрежение. Тя значително опростява производствените процеси и графика. Също така оставя повече място за други елементи, като например повече охлаждане или повече структура за здравина.
Магнитът е малко по-малка версия на тези, които ще образуват камерите на SPARC, които сега се строят от CFS в Девенс, Масачузетс. Състои се от 16 плочи, наречени палачинки, всяка от които има спирална намотка на свръхпроводяща лента от едната страна и охлаждащи канали за хелиев газ от другата.
Но дизайнът без изолация се смяташе за рискован и много зависи от тестовата програма. "Това беше първият магнит в достатъчен мащаб, който наистина изследва какво е необходимо за проектирането, изграждането и тестването на магнит с тази така наречена технология без изолация и без изкривяване", казва Хартвиг. За общността беше голяма изненада, когато обявихме, че това е катушка без изолация.
Да стигнем до крайната граница и дори по-далеч.
Първоначалното изпитване, описано в предишни статии, доказа, че процесът на проектиране и производство не само работи, но е и изключително стабилен - нещо, за което някои изследователи са се съмнявали. Следващите два тестови изпитания, също извършени в края на 2021 г., след това изтласкали устройството до границата, като умишлено създали нестабилни условия, включително пълно изключване на входящата енергия, което може да доведе до катастрофално прегряване. Това се нарича заглушаване и се счита за най-лошият сценарий за работата на такива магнити, с потенциал да унищожи оборудването.
Част от мисията на тестовата програма, казва Хартвиг, е била да избухне и умишлено да изгаси магнит в пълен мащаб, така че да можем да получим критичните данни в правилния мащаб и в правилните условия, за да напреднем в науката, да потвърдим диза
Този последен тест, завършил с топенето на един ъгъл от един от 16-те палачинки, е дал много нова информация, казва Хартвиг. Първо, те са използвали няколко различни изчислителни модела за проектиране и прогнозиране на работата на различни аспекти на работата на магнита, и за по-голямата част, моделите са се съгласили в цялостните си прогнози и са били добре валидирани от серията от тестове и измервания в реалния свят. Но при прогнозирането на ефекта от заглушаването, прогнозите на модела се различават, така че е необходимо да се получат експериментални данни, за да се оцени валидността на моделите.
"Моделите с най-висока точност, които предсказахме почти точно как магнитът ще се затопли, до каква степен ще се затопли, когато започне да угасва и къде ще бъде последващото увреждане на магнита", казва той. Както е описано подробно в един от новите доклади, Той тест всъщност ни казваше точно каква физика се случва и ни казваше кои модели са полезни в бъдеще и кои да оставим настрана, защото не са правилни.
Уайт казва: "В основата си ние направихме най-лошото възможно на намотка, нарочно, след като изпробвахме всички други аспекти на работата на намотката. И открихме, че по-голямата част от намотката е оцеляла без щети, докато една изолирана област е претърпяла известно топене. Това е като няколко процента от обема на намотката, която е била повредена. И това доведе до преразглеждания на дизайна, които се очаква да предотвратят такова увреждане на магнитите на действителните устройства за синтез, дори и при най-екстремните условия.
Хартвиг подчертава, че една от основните причини, поради която екипът успял да постигне такъв радикален нов рекорд за магнит, и да го направи правилно от първия път и в бърз график, е благодарение на дълбокото ниво на знания, опит и оборудване, натрупани през десетилетия "Това е в основата на институционалните възможности на такова място", казва той. Имахме възможностите, инфраструктурата, пространството и хората, за да направим тези неща под един покрив.
Той казва, че сътрудничеството с CFS също е ключово, тъй като MIT и CFS съчетават най-мощните аспекти на академична институция и частна компания, за да направят заедно неща, които нито една от тях не би могла да направи сама. Например, един от основните приноса на CFS е използването на силата на частна компания за създаване и разширяване на веригата за доставки на безпрецедентно ниво и времеви план за най-критичния материал в проекта: 300 километра (186 мили) високотемпературни свръхпроводници,
Интеграцията на двата екипа, тези от MIT и тези от CFS, също е била от решаващо значение за успеха, казва той. Ние мислехме за себе си като за един екип, и това направи възможно това, което направихме.
