I de tidlige timer den 5. september 2021 opnåede ingeniører en vigtig milepæl i laboratorierne ved MIT’s Plasma Science and Fusion Center (PSFC), da en ny type magnet, lavet af højtemperatur superledende materiale, opnåede en verdensrekord i magnetfeltstyrke på 20 tesla for en storskala magnet. Det er den intensitet, der er nødvendig for at bygge et fusionskraftværk, som forventes at producere et nettooutput af energi og potentielt indlede en æra med praktisk talt ubegribelig energiproduktion.
Testen blev straks erklæret en succes, da den opfyldte alle de kriterier, der var fastsat for designet af den nye fusionsenhed, kaldet SPARC, hvor magneterne er den nøglemuliggørende teknologi. Champagnepropperne sprang, da det trætte team af eksperimentatorer, der havde arbejdet længe og hårdt for at gøre præstationen mulig, fejrede deres bedrift.
Men det var langt fra slutningen på processen. I de følgende måneder rev teamet komponenterne af magneten fra hinanden og inspicerede dem, gennemgik og analyserede dataene fra hundreder af instrumenter, der registrerede detaljer om testene, og udførte to yderligere testkørsler på den samme magnet, hvilket i sidste ende pressede den til bristepunktet for at lære detaljerne om eventuelle mulige fejlfunktioner.
Alt dette arbejde har nu kulmineret i en detaljeret rapport fra forskere ved PSFC og MIT spinout firma Commonwealth Fusion Systems (CFS), offentliggjort i en samling af seks peer-reviewed artikler i en særlig udgave af marts-udgaven af IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Sammen beskriver artiklerne design og fremstilling af magneten og det diagnostiske udstyr, der er nødvendigt for at evaluere dens ydeevne, samt de erfaringer, der er gjort i processen. Generelt fandt teamet, at forudsigelserne og computer-modelleringen var præcise, hvilket bekræftede, at magnetens unikke designelementer kunne fungere som fundament for et fusionskraftværk.
Muliggøre praktisk fusionsenergi
Den vellykkede test af magneten, siger Hitachi America Professor of Engineering Dennis Whyte, som for nylig trak sig tilbage som direktør for PSFC, var “den vigtigste ting, efter min mening, i de sidste 30 år af fusionsforskning.”
Før demonstration den 5. september var de bedst tilgængelige superledere magneter kraftige nok til potentielt at opnå fusionsenergi - men kun i størrelser og omkostninger, der aldrig kunne være praktiske eller økonomisk levedygtige. Så, da testene viste praktikken af en så stærk magnet i en betydeligt reduceret størrelse, “ændrede det i princippet omkostningerne pr. watt af en fusionsreaktor med en faktor på næsten 40 på en dag,” siger Whyte.
“Nu har fusion en chance,” tilføjer Whyte. Tokamaks, den mest udbredte design til eksperimentelle fusionsanordninger, “har en chance, efter min mening, for at være økonomiske, fordi du har en kvanteændring i din evne, med de kendte indespærringsfysik regler, om at kunne reducere størrelsen og omkostningerne ved objekter, der ville gøre fusion mulig.”
De omfattende data og analyser fra PSFC's magnettest, som beskrevet i de seks nye artikler, har vist, at planerne for en ny generation af fusionsanlæg - den, der er designet af MIT og CFS, samt lignende design af andre kommercielle fusionsvirksomheder - er bygget på et solidt fundament i videnskab.
Den supraledende gennembrud
Fusion, processen med at kombinere lette atomer for at danne tungere, driver solen og stjernerne, men at udnytte den proces på Jorden har vist sig at være en skræmmende udfordring, med årtiers hårdt arbejde og mange milliarder dollars brugt på eksperimentelle enheder. Det længe ønskede, men aldrig endnu opnåede mål er at bygge et fusionskraftværk, der producerer mere energi, end det forbruger. Et sådant kraftværk kunne producere elektricitet uden at udlede drivhusgasser under drift og generere meget lidt radioaktivt affald. Fusionsbrændstoffet, en form for brint, der kan udvindes fra havvand, er praktisk talt ubegribelig.
Men for at få det til at fungere kræver det at komprimere brændstoffet ved ekstraordinært høje temperaturer og tryk, og da intet kendt materiale kan modstå sådanne temperaturer, skal brændstoffet holdes på plads af ekstremt kraftige magnetfelter. At producere så stærke felter kræver superledende magneter, men alle tidligere fusionsmagneter er blevet lavet med et superledende materiale, der kræver kolde temperaturer på omkring 4 grader over det absolutte nulpunkt (4 kelvins, eller -270 grader Celsius). I de sidste par år er et nyere materiale med kælenavnet REBCO, for sjældne jordmetaller barium kobberoxid, blevet tilføjet til fusionsmagneter, og gør det muligt for dem at fungere ved 20 kelvins, en temperatur der, på trods af at den kun er 16 kelvins varmere, giver betydelige fordele med hensyn til materialeegenskaber og praktisk ingeniørarbejde.
Det var ikke blot et spørgsmål om at erstatte det nye, superledende materiale med højere temperaturer med eksisterende magneter. I stedet var det en omarbejdning fra bunden af næsten alle de principper, man bruger til at bygge overledende magneter, siger Whyte. Det nye REBCO-materiale er ekstremt anderledes end den tidligere generation af superledere. Man skal ikke bare tilpasse sig og erstatte, man skal faktisk innovere fra bunden. De nye papirer i Transactions on Applied Superconductivity det er derfor vigtigt, at vi i denne forbindelse tager hensyn til de forskellige aspekter af den fælles landbrugspolitik.
En nøgleinnovation: ingen isolering
En af de dramatiske innovationer, som fik mange andre inden for området til at være skeptiske over for dens chancer for succes, var elimineringen af isolering omkring de tynde, flade bånd af superledende tape, der dannede magneten. Ligesom stort set alle elektriske ledninger er konventionelle superledende magneter fuldt beskyttet af isoleringsmateriale for at forhindre kortslutninger mellem ledningerne. Men i den nye magnet blev tapen efterladt helt bar; ingeniørerne stolede på REBCO's meget større ledningsevne for at holde strømmen flydende gennem materialet.
“Da vi startede dette projekt, lad os sige i 2018, var teknologien til at bruge højtemperatur superledere til at bygge store højfeltmagneter i sin spæde begyndelse,” siger Zach Hartwig, Robert N. Noyce Karriereudviklingsprofessor i Afdelingen for Nuklearvidenskab og Ingeniørkunst. Hartwig har en medansættelse ved PSFC og er leder af dens ingeniørgruppe, som førte magnetudviklingsprojektet. “Den nyeste teknologi var små bænkskalaeksperimenter, som ikke rigtig var repræsentative for, hvad der kræves for at bygge en fuld størrelse ting. Vores magnetudviklingsprojekt startede i bænkskala og endte med at være i fuld skala på kort tid,” tilføjer han og bemærker, at teamet byggede en 20.000 pund magnet, der producerede et stabilt, jævnt magnetfelt på lige over 20 tesla — langt ud over noget sådant felt, der nogensinde er produceret i stor skala.
“Den standard måde at bygge disse magneter på er, at man ville vikle lederen, og man har isolering mellem viklingerne, og man har brug for isolering for at håndtere de høje spændinger, der genereres under unormale hændelser som en nedlukning.” At eliminere lagene af isolering, siger han, “har fordelen ved at være et lavspændingssystem. Det forenkler i høj grad fremstillingsprocesserne og tidsplanen.” Det efterlader også mere plads til andre elementer, såsom mere køling eller mere struktur for styrke.
Magnetmonteringen er en lidt mindre skala version af dem, der vil danne den donutformede kammer af SPARC fusion enheden, der nu bliver bygget af CFS i Devens, Massachusetts. Den består af 16 plader, kaldet pandekager, hver med en spiralvikling af den supraledende tape på den ene side og kølekanaler til heliumgas på den anden.
Men designet uden isolering blev betragtet som risikabelt, og der var meget på spil i testprogrammet. “Dette var den første magnet i nogen tilstrækkelig skala, der virkelig undersøgte, hvad der er involveret i at designe, bygge og teste en magnet med denne såkaldte teknologi uden isolering og uden vridning,” siger Hartwig. “Det var meget overraskende for samfundet, da vi annoncerede, at det var en spole uden isolering.”
Skubbe til grænsen … og videre
Den indledende test, beskrevet i tidligere artikler, beviste, at design- og fremstillingsprocessen ikke kun fungerede, men var meget stabil — noget som nogle forskere havde tvivlet på. De næste to testkørsler, der også blev udført i slutningen af 2021, skubbede derefter enheden til grænsen ved bevidst at skabe ustabile forhold, herunder en fuldstændig afbrydelse af den indkommende strøm, der kan føre til en katastrofal overophedning. Kendt som kvenching, betragtes dette som et værst tænkeligt scenarie for driften af sådanne magneter, med potentiale til at ødelægge udstyret.
En del af missionen for testprogrammet, siger Hartwig, var “faktisk at gå ud og med vilje slukke for en fuldskala magnet, så vi kan få de kritiske data i den rigtige skala og under de rigtige forhold for at fremme videnskaben, for at validere designkoderne, og derefter tage magneten fra hinanden og se, hvad der gik galt, hvorfor det gik galt, og hvordan vi tager den næste iteration mod at rette op på det. … Det var en meget vellykket test.”
Den sidste test, som sluttede med smeltningen af et hjørne af en af de 16 pandekager, producerede en overflod af nye oplysninger, siger Hartwig. For det første havde de brugt flere forskellige beregningsmodeller til at designe og forudsige ydeevnen af forskellige aspekter af magnetens ydeevne, og for det meste var modellerne enige i deres overordnede forudsigelser og var godt valideret af serien af tests og målinger i den virkelige verden. Men i forudsigelsen af virkningen af nedkølingen, divergerede modelforudsigelserne, så det var nødvendigt at få de eksperimentelle data for at evaluere modellernes gyldighed.
“De højeste præcisionsmodeller, vi havde, forudsagde næsten præcist, hvordan magneten ville varme op, i hvilken grad den ville varme op, når den begyndte at kvæle, og hvor den resulterende skade på magneten ville være,” siger han. Som beskrevet i detaljer i en af de nye rapporter, “Den test fortalte os faktisk præcist den fysik, der foregik, og den fortalte os, hvilke modeller der var nyttige fremadrettet, og hvilke vi skulle lade ligge, fordi de ikke er rigtige.”
Whyte siger, “Grundlæggende gjorde vi det værst mulige for en spole, med vilje, efter vi havde testet alle andre aspekter af spoleydelsen. Og vi fandt ud af, at de fleste af spolen overlevede uden skade,” mens et isoleret område fik lidt smeltning. “Det er som et par procent af volumenet af spolen, der blev beskadiget.” Og det førte til revisioner i designet, som forventes at forhindre sådan skade i de faktiske fusionsanordningers magneter, selv under de mest ekstreme forhold.
Hartwig understreger, at en væsentlig årsag til, at teamet var i stand til at opnå et så radikalt nyt rekordindstillende magnetdesign, og få det rigtigt første gang og på en halsbrækkende tidsplan, var takket være det dybe niveau af viden, ekspertise og udstyr, der er opbygget gennem årtiers drift af Alcator C-Mod tokamak, Francis Bitter Magnet Laboratory og andet arbejde udført ved PSFC. “Dette går til hjertet af de institutionelle kapaciteter på et sted som dette,” siger han. “Vi havde kapaciteten, infrastrukturen, pladsen og folkene til at gøre disse ting under ét tag.”
Samarbejdet med CFS var også nøglen, siger han, med MIT og CFS, der kombinerede de mest magtfulde aspekter af en akademisk institution og et privat firma for at gøre ting sammen, som ingen af dem kunne have gjort alene. “For eksempel var et af de største bidrag fra CFS at udnytte kraften fra et privat firma til at etablere og skalere en forsyningskæde på et hidtil uset niveau og tidslinje for det mest kritiske materiale i projektet: 300 kilometer (186 miles) af højtemperatur superleder, som blev anskaffet med streng kvalitetskontrol på under et år, og integreret til tiden i magneten.”
Integrationen af de to hold, dem fra MIT og dem fra CFS, var også afgørende for succesen, siger han. “Vi så os selv som ét hold, og det gjorde det muligt at gøre det, vi gjorde.”
