V předúsvitových hodinách 5. září 2021 dosáhli inženýři významného milníku v laboratořích Plasma Science and Fusion Center (PSFC) MIT, když nový typ magnetu, vyrobený z vysokoteplotního supravodivého materiálu, dosáhl světového rekordu v magnetickém poli o síle 20 tesla pro velkoplošný magnet. To je intenzita potřebná k vybudování fúzní elektrárny, která by měla produkovat čistý výkon a potenciálně přivést éru prakticky neomezené výroby energie.
Test byl okamžitě prohlášen za úspěch, protože splnil všechna kritéria stanovená pro návrh nového fúzního zařízení, nazvaného SPARC, pro které jsou magnety klíčovou umožňující technologií. Šampaňské zátky praskaly, když unavený tým experimentátorů, který dlouho a tvrdě pracoval na tom, aby bylo dosaženo tohoto úspěchu, oslavil svůj úspěch.
Ale to zdaleka nebyl konec procesu. V následujících měsících tým rozebral a zkontroloval komponenty magnetu, podrobně prozkoumal a analyzoval data ze stovek přístrojů, které zaznamenávaly detaily testů, a provedl dva další testy na stejném magnetu, čímž ho nakonec dostal na jeho mez, aby se dozvěděl detaily o možných režimech selhání.
Všechna tato práce nyní vyvrcholila podrobným zprávou výzkumníků z PSFC a společnosti Commonwealth Fusion Systems (CFS), spin-offu MIT, publikovanou v sborníku šesti recenzovaných článků v speciálním vydání březnového čísla IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Společně články popisují návrh a výrobu magnetu a diagnostického vybavení potřebného k vyhodnocení jeho výkonu, stejně jako lekce, které byly z procesu získány. Celkově tým zjistil, že předpovědi a počítačové modelování byly přesné, což potvrzuje, že jedinečné designové prvky magnetu mohou sloužit jako základ pro fúzní elektrárnu.
Umožnění praktické fúzní energie
Úspěšný test magnetu, říká profesor inženýrství Hitachi America Dennis Whyte, který nedávno odstoupil z pozice ředitele PSFC, byl „nejdůležitější věcí, podle mého názoru, v posledních 30 letech výzkumu fúze.“
Před demonstrací 5. září byly nejlepší dostupné supravodivé magnety dostatečně silné, aby potenciálně dosáhly fúzní energie — ale pouze v velikostech a nákladech, které by nikdy nemohly být praktické nebo ekonomicky životaschopné. Poté, co testy ukázaly praktičnost tak silného magnetu v výrazně zmenšené velikosti, „přes noc to v podstatě změnilo náklady na watt fúzního reaktoru téměř o 40 v jednom dni,“ říká Whyte.
„Nyní má fúze šanci,“ dodává Whyte. Tokamaky, nejpoužívanější design pro experimentální fúzní zařízení, „mají šanci, podle mého názoru, být ekonomické, protože máte kvantovou změnu ve své schopnosti, s známými pravidly fyziky o uzavření, o schopnosti výrazně snížit velikost a náklady objektů, které by umožnily fúzi.“
Komplexní data a analýza z magnetického testu PSFC, jak je podrobně popsáno v šesti nových článcích, prokázala, že plány na novou generaci fúzních zařízení — ta navržená MIT a CFS, stejně jako podobné návrhy od jiných komerčních fúzních společností — jsou postavena na pevném vědeckém základu.
Supervodivý průlom
Fúze, proces spojování lehkých atomů za účelem vytvoření těžších, pohání slunce a hvězdy, ale využití tohoto procesu na Zemi se ukázalo jako ohromná výzva, s desetiletími tvrdé práce a mnoha miliardami dolarů vynaloženými na experimentální zařízení. Dlouho hledaným, ale dosud nikdy nedosaženým cílem je vybudovat fúzovou elektrárnu, která produkuje více energie, než spotřebovává. Taková elektrárna by mohla vyrábět elektřinu bez emisí skleníkových plynů během provozu a generovat velmi málo radioaktivního odpadu. Palivo pro fúzi, forma vodíku, kterou lze získat z mořské vody, je prakticky neomezené.
Ale k tomu, aby to fungovalo, je třeba stlačit palivo při extrémně vysokých teplotách a tlacích, a protože žádný známý materiál by takové teploty nevydržel, musí být palivo drženo na místě extrémně silnými magnetickými poli. Vytváření tak silných polí vyžaduje supravodivé magnety, ale všechny předchozí fúzní magnety byly vyrobeny s supravodivým materiálem, který vyžaduje mrazivé teploty kolem 4 stupňů nad absolutní nulou (4 kelviny, nebo -270 stupňů Celsia). V posledních několika letech byl k fúzním magnetům přidán novější materiál přezdívaný REBCO, což je oxid barya mědi vzácných zemin, a umožňuje jim fungovat při 20 kelvinech, teplotě, která, ačkoliv je pouze o 16 kelvinů teplejší, přináší významné výhody z hlediska materiálových vlastností a praktického inženýrství.
Využití tohoto nového materiálu s vysokotemperatuřní supervévodností nebylo pouze otázkou jeho dosazení do stávajících návrhů magnetů. Místo toho „to byla revize od základů téměř všech principů, které používáte k vytváření supervévodných magnetů,” říká Whyte. Nový REBCO materiál je „neobyčejně odlišný od předchozí generace supervévodců. Nejde jen o přizpůsobení a nahrazení, ale ve skutečnosti budete inovovat od základů.” Nové články Transactions on Applied Superconductivity popisují detaily tohoto procesu přepracování, nyní když je patentová ochrana na místě.
Klíčová inovace: žádná izolace
Jednou z dramatických inovací, která měla mnoho dalších v oboru skeptických ohledně jejích šancí na úspěch, bylo odstranění izolace kolem tenkých, plochých pásek supravodivého pásku, které tvořily magnet. Stejně jako prakticky všechny elektrické vodiče, konvenční supravodivé magnety jsou plně chráněny izolačním materiálem, aby se zabránilo zkratu mezi vodiči. Ale v novém magnetu byla páska zcela odkrytá; inženýři se spoléhali na mnohem větší vodivost REBCO, aby udrželi proud protékající materiálem.
“Když jsme začali tento projekt, řekněme v roce 2018, technologie využívání vysokoteplotních supervodivých materiálů k výrobě velkých vysokofieldových magnetů byla v plenkách,” říká Zach Hartwig, profesor kariérního rozvoje Roberta N. Noyce v oddělení jaderné vědy a inženýrství. Hartwig má také společné jmenování na PSFC a je vedoucím jeho inženýrské skupiny, která vedla projekt vývoje magnetů. “Stav techniky byl malé experimenty na stole, které nebyly opravdu reprezentativní pro to, co je potřeba k výrobě plnohodnotného zařízení. Náš projekt vývoje magnetů začal na stole a skončil v plném měřítku za krátkou dobu,” dodává a poznamenává, že tým vybudoval magnet o hmotnosti 20 000 liber, který produkoval stabilní, rovnoměrné magnetické pole těsně nad 20 tesla — daleko za jakékoli takové pole, které bylo kdy vyprodukováno ve velkém měřítku.
„Standardní způsob, jak vyrobit tyto magnety, je, že byste navinuli vodič a mezi vinutími máte izolaci, a potřebujete izolaci, abyste se vypořádali s vysokými napětími, která se generují během abnormálních událostí, jako je odstávka.“ Eliminace vrstev izolace, říká, „má výhodu v tom, že je to systém s nízkým napětím. To značně zjednodušuje výrobní procesy a harmonogram.“ Také to zanechává více místa pro další prvky, jako je více chlazení nebo více struktury pro pevnost.
Sestava magnetu je mírně menší verze těch, které vytvoří donutovou komoru fúzního zařízení SPARC, které nyní staví CFS v Devens, Massachusetts. Skládá se z 16 desek, nazývaných palačinky, z nichž každá nese spirálové vinutí supravodivého pásku na jedné straně a chladicí kanály pro helium na druhé.
Ale design bez izolace byl považován za riskantní a hodně záviselo na testovacím programu. „Toto byl první magnet v jakémkoli dostatečném měřítku, který skutečně zkoumal, co obnáší navrhování, stavění a testování magnetu s touto takzvanou technologií bez izolace a bez zkroucení,“ říká Hartwig. „Bylo to pro komunitu velmi překvapení, když jsme oznámili, že to byla cívka bez izolace.“
Tlačení na limit … a za něj
Počáteční test, popsaný v předchozích dokumentech, prokázal, že design a výrobní proces nejenže fungoval, ale byl také vysoce stabilní — něco, čemu někteří výzkumníci pochybovali. Další dva testovací běhy, které se také konaly na konci roku 2021, pak posunuly zařízení na limit tím, že záměrně vytvořily nestabilní podmínky, včetně úplného vypnutí příchozí energie, což může vést k katastrofálnímu přehřátí. Známé jako zhasnutí, toto je považováno za nejhorší scénář pro provoz takových magnetů, s potenciálem zničit zařízení.
Součástí mise testovacího programu, říká Hartwig, bylo „skutečně se odpojit a záměrně uhasit magnet v plném měřítku, abychom mohli získat kritická data ve správném měřítku a za správných podmínek pro pokrok v vědě, pro ověření návrhových kódů, a poté rozebrat magnet a zjistit, co se pokazilo, proč se to pokazilo, a jak se posunout k dalšímu pokusu o opravu. … Byl to velmi úspěšný test.”
Ten závěrečný test, který skončil táním jednoho rohu jednoho z 16 palačinek, přinesl bohatství nových informací, říká Hartwig. Jednak používali několik různých výpočetních modelů k navrhování a předpovídání výkonu různých aspektů výkonu magnetu, a většinou se modely shodovaly ve svých celkových předpovědích a byly dobře ověřeny sérií testů a měření v reálném světě. Ale při předpovídání účinku zchlazení se předpovědi modelů rozcházely, takže bylo nutné získat experimentální data k vyhodnocení platnosti modelů.
„Nejvyšší věrnostní modely, které jsme měli, téměř přesně předpověděly, jak se magnet zahřeje, do jaké míry se zahřeje, když začne ztrácet výkon, a kde by mělo být výsledné poškození magnetu,“ říká. Jak je podrobně popsáno v jedné z nových zpráv, „Ten test nám vlastně přesně řekl fyziku, která se odehrávala, a řekl nám, které modely byly užitečné do budoucna a které nechat stranou, protože nejsou správné.“
Whyte říká: „V podstatě jsme udělali to nejhorší, co jsme mohli udělat cívce, schválně, poté, co jsme otestovali všechny ostatní aspekty výkonu cívky. A zjistili jsme, že většina cívky přežila bez poškození,“ zatímco jedna izolovaná oblast utrpěla nějaké tavení. „Je to jako několik procent objemu cívky, které bylo poškozeno.“ A to vedlo k revizím v designu, které by měly zabránit takovému poškození v magnetech skutečného fúzního zařízení, i za těch nejextrémnějších podmínek.
Hartwig zdůrazňuje, že hlavním důvodem, proč tým dokázal dosáhnout tak radikálního nového designu magnetu, který stanovuje rekord, a udělat to správně na první pokus a v extrémně rychlém časovém harmonogramu, byla díky hluboké úrovni znalostí, odbornosti a vybavení, které byly akumulovány během desetiletí provozu tokamaku Alcator C-Mod, Francis Bitter Magnet Laboratory a dalších prací prováděných na PSFC. „To jde k jádru institucionálních schopností místa, jako je toto,“ říká. „Měli jsme schopnosti, infrastrukturu, prostor a lidi, abychom tyto věci mohli dělat pod jednou střechou.“
Spolupráce s CFS byla také klíčová, říká, přičemž MIT a CFS kombinovaly nejmocnější aspekty akademické instituce a soukromé společnosti, aby společně dělaly věci, které by žádná z nich nemohla udělat sama. „Například jedním z hlavních přínosů od CFS bylo využití síly soukromé společnosti k vytvoření a rozšíření dodavatelského řetězce na bezprecedentní úrovni a časovém rámci pro nejkritičtější materiál v projektu: 300 kilometrů (186 mil) vysokoteplotního supravodiče, který byl pořízen s přísnou kontrolou kvality za méně než rok a byl včas integrován do magnetu.“
Integrace obou týmů, těch z MIT a těch z CFS, byla také zásadní pro úspěch, říká. „Mysleli jsme na sebe jako na jeden tým, a to umožnilo udělat to, co jsme udělali.“
