In den Morgendämmerstunden des 5. September 2021 erreichten Ingenieure einen wichtigen Meilenstein in den Laboren des Plasma Science and Fusion Center (PSFC) des MIT, als ein neuer Typ von Magneten, hergestellt aus Hochtemperatursupraleitermaterial, eine weltweit neue Rekordmagnetfeldstärke von 20 Tesla für einen Großmagneten erzielte. Diese Intensität ist notwendig, um ein Fusionskraftwerk zu bauen, das einen Netto-Überschuss an Energie produzieren soll und möglicherweise ein Zeitalter virtuell grenzenloser Energieerzeugung einläutet.
Der Test wurde unmittelbar als Erfolg erklärt, da er alle Kriterien erfüllt hatte, die für die Konstruktion des neuen Fusionsgeräts festgelegt wurden, das als SPARC bezeichnet wird. Für dieses sind die Magnete die entscheidende Schlüsseltechnologie. Champagnerkorken ploppten, während das erschöpfte Team der Versuchsleiter, das lange und hart gearbeitet hatte, um die Errungenschaft möglich zu machen, seinen Erfolg feierte.
Doch das war noch lange nicht das Ende des Prozesses. In den folgenden Monaten untersuchte das Team die Komponenten des Magneten, analysierte detailliert die Daten von Hunderten von Instrumenten, die Details der Tests aufzeichneten, und führte zwei weitere Testläufe mit demselben Magneten durch, wobei er letztendlich bis an seinen Grenzbereich getrieben wurde, um mögliche Ausfallmechanismen genau zu verstehen.
All dies work hat sich nun in einem detaillierten Bericht von Forschern am PSFC und der MIT-Gründungsfirma Commonwealth Fusion Systems (CFS) manifestiert, der in einer Sammlung von sechs begutachteten Artikeln in einer Sonderausgabe des Märzhefts veröffentlicht wurde IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Zusammen beschreiben die Artikel das Design und die Fertigung des Magneten sowie die diagnostischen Geräte, die benötigt werden, um seine Leistung zu bewerten, sowie die aus dem Prozess gezogenen Erkenntnisse. Insgesamt stellte das Team fest, dass die Vorhersagen und Computersimulationen hundertprozentig zutreffend waren und bestätigten, dass das einzigartige Design des Magneten als Grundlage für einen Fusionskraftwerk dienen könnte.
Ermöglich praktische Fusionsenergie
Der erfolgreiche Test des Magneten, sagt Hitachi America Ingenieurprofessor Dennis Whyte, der kürzlich seinen Posten als Direktor des PSFC abgegeben hat, war „das Wichtigste, meiner Meinung nach, in den letzten 30 Jahren der Fusionsforschung.“
Bevor die Demonstration am 5. September stattfand, waren die besten verfügbaren Supraleitermagneten leistungsfähig genug, um potenziell Fusionsenergie zu erzeugen – aber nur in einer Größe und bei Kosten, die niemals praktikabel oder wirtschaftlich sinnvoll wären. Dann, als die Tests die Machbarkeit eines derart starken Magneten in einem deutlich kleineren Ausmaß zeigten, 'hat sich über Nacht der Kostenprozess pro Watt eines Fusionsreaktors innerhalb eines Tages fast um den Faktor 40 verbessert', sagt Whyte.
'Jetzt hat Fusion eine Chance', fügt Whyte hinzu. Tokamaks, das am weitesten verbreitete Design für experimentelle Fusionsanlagen, 'haben meiner Meinung nach eine Chance, wirtschaftlich zu sein, weil du mit der bekannten Konfinementsphysik einen quantitativen Sprung in deiner Fähigkeit erlebst, die Größe und die Kosten der Objekte drastisch zu reduzieren, die Fusion möglich machen würden.'
Die umfassenden Daten und Analysen aus dem Magnettest des PSFC, wie sie in den sechs neuen Artikeln detailliert beschrieben werden, haben gezeigt, dass die Pläne für eine neue Generation von Fusionsanlagen – derjenigen, die von MIT und CFS entwickelt wurde, sowie ähnlichen Designkonzepten anderer kommerzieller Fusionsunternehmen – auf einem soliden wissenschaftlichen Fundament basieren.
Der Durchbruch bei Supraleitern
Fusion, der Prozess, bei dem leichte Atome zu schwereren kombiniert werden, treibt die Sonne und die Sterne an, aber die Nutzung dieses Prozesses auf der Erde hat sich als eine erschreckende Herausforderung erwiesen, mit Jahrzehnten harter Arbeit und vielen Milliarden Dollar, die in experimentelle Anlagen investiert wurden. Das lange gesuchte, aber bisher nie erreichte Ziel ist es, eine Fusionskraftwerksanlage zu bauen, die mehr Energie erzeugt, als sie verbraucht. Ein solches Kraftwerk könnte Strom erzeugen, ohne während des Betriebs Treibhausgase auszustoßen, und würde nur sehr wenig radioaktiven Abfall produzieren. Das Brennstoff für Fusion, eine Form von Wasserstoff, kann aus Seewasser gewonnen werden und ist praktisch grenzenlos.
Um es jedoch funktionieren zu lassen, erfordert dies das Komprimieren des Brennstoffs bei außergewöhnlich hohen Temperaturen und Drücken. Da kein bekanntes Material solche Temperaturen aushalten kann, muss der Brennstoff durch extrem starke Magnetfelder gehalten werden. Die Erzeugung solch starker Felder erfordert supraleitende Magnete, aber alle bisherigen Fusionmagneten wurden aus einem supraleitenden Material hergestellt, das Temperaturen von etwa 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt (4 Kelvin oder -270 Grad Celsius) benötigt. In den letzten Jahren wurde ein neueres Material namens REBCO (für seltenerdhaltiges Barium-Cuprat-Oxid) zu den Fusionmagneten hinzugefügt, was es ihnen ermöglicht, bei 20 Kelvin zu operieren – eine Temperatur, die trotz nur 16 Kelvin höherer Werte erhebliche Vorteile in Bezug auf Materialien und praktische Ingenieurtechnik bietet.
Die Nutzung dieses neuen Hochtemperatursupraleiters war nicht einfach eine Frage der Einsetzung in bestehende Magnetsysteme. Stattdessen „war es ein Neuentwurf fast aller Prinzipien, die du beim Bau von Supraleitermagneten verwendest“, sagt Whyte. Das neue REBCO-Material unterscheidet sich „außerordentlich von der vorherigen Generation von Supraleitern. Du wirst nicht einfach anpassen und ersetzen, sondern tatsächlich von Grund auf neu innovieren.“ Die neuen Artikel in Transactions on Applied Superconductivity beschreiben die Details dieses Neuentwurfsprozesses, jetzt da Patentschutz besteht.
Eine Schlüsselinnovation: Keine Isolation
Eine der dramatischen Innovationen, die viele andere im Feld skeptisch gegenüber ihren Chancen auf Erfolg machte, war die Beseitigung der Isolation um die dünnen, flachen Bändern des Supraleiterbands, aus denen der Magneten bestand. Wie bei nahezu allen elektrischen Drähten sind konventionelle Supraleitermagneten vollständig durch Isoliermaterial geschützt, um Kurzschlüsse zwischen den Drähten zu verhindern. Aber im neuen Magneten war das Band völlig unbedeckt; die Ingenieure verließen sich auf die viel größere Leitfähigkeit von REBCO, um den Stromfluss durch das Material aufrechtzuerhalten.
„Als wir dieses Projekt begannen, sagen wir mal im Jahr 2018, war die Technologie der Verwendung von Hochtemperatursupraleitern zum Bau von groß dimensionierten Hochfeldmagneten noch in den Kinderschuhen“, sagt Zach Hartwig, der Robert N. Noyce Career Development Professor am Department für Kernwissenschaften und -ingenieurwesen. Hartwig hat eine Doppelprofessur am PSFC und ist Leiter der Ingenieurgruppe dort, die das Magnetentwicklungsprojekt geleitet hat. „Der Stand der Technik bestand aus kleinen Tischexperimenten, die nicht wirklich repräsentativ waren für das, was nötig ist, um etwas Full-Size zu bauen. Unser Magnetentwicklungsprojekt begann bei Tischskala und erreichte Full-Scale innerhalb einer kurzen Zeit“, fügt er hinzu und betont, dass das Team einen 20.000-Pfund-Magnet gebaut hat, der ein stetiges, gleichmäßiges Magnetfeld von knapp über 20 Tesla erzeugte – weit über jedes solche Feld hinaus, das jemals auf Großmaßstab erzeugt wurde.
„Der Standardweg, diese Magnete zu bauen, besteht darin, dass man den Leiter Wicklungen aufträgt und Isolation zwischen den Wicklungen hat, und man braucht Isolation, um mit den hohen Spannungen umzugehen, die während außergewöhnlicher Ereignisse wie einem Ausfall entstehen.“ Die Beseitigung der Isolierungsschichten, sagt er, „hat den Vorteil eines Niederspannungssystems. Es vereinfacht die Fertigungsprozesse und den Zeitplan erheblich.“ Es bleibt auch mehr Platz für andere Elemente, wie z.B. mehr Kühlung oder mehr Struktur für Stabilität.
Die Magnetmontage ist eine leicht kleinere Version derjenigen, die den donutförmigen Reaktorkern des SPARC-Fusionsgeräts bilden werden, das derzeit von CFS in Devens, Massachusetts, gebaut wird. Sie besteht aus 16 Platten, sogenannten Pfannkuchen, wobei jede eine spiralförmige Wicklung aus dem Supraleiterband auf einer Seite und Kühlkanäle für Heliumgas auf der anderen Seite aufweist.
Das Konstruktionsprinzip ohne Isolation wurde jedoch als riskant angesehen, und viel hing vom Testprogramm ab. „Dies war der erste Magneten an einem ausreichenden Maßstab, der wirklich erforschte, was bei der Konstruktion, dem Bau und dem Testen eines Magneten mit dieser sogenannten No-Insulation No-Twist Technologie beteiligt ist“, sagt Hartwig. „Es war sehr überraschend für die Gemeinschaft, als wir ankündigten, dass es sich um eine Spule ohne Isolation handelt.“
Bis an die Grenze ... und darüber hinaus
Der erste Test, der in vorherigen Arbeiten beschrieben wurde, bewies, dass das Design und der Fertigungsprozess nicht nur funktionierten, sondern außerordentlich stabil waren – etwas, das einige Forscher bezweifelt hatten. Die nächsten beiden Testläufe, die ebenfalls Ende 2021 durchgeführt wurden, trieben das Gerät absichtlich bis an seine Grenzen, indem sie instabile Bedingungen schufen, einschließlich einer vollständigen Abschaltung der Energiezufuhr, die zu einer katastrophalen Überhitzung führen kann. Als Quenching bekannte sich dieses Szenario gilt als ein schlimmstmöglicher Fall für den Betrieb solcher Magneten und birgt das Potenzial, die Ausrüstung zu zerstören.
Ein Teil der Mission des Testprogramms, sagt Hartwig, war „absichtlich einen vollskaligen Magneten zu entladen, damit wir die kritischen Daten in der richtigen Größenordnung und unter den richtigen Bedingungen erhalten können, um die Wissenschaft voranzubringen, die Entwurfsmodelle zu validieren und dann den Magneten auseinanderzunehmen, um zu sehen, was schiefgelaufen ist, warum es schiefgelaufen ist und wie wir die nächste Iteration zur Behebung dieses Problems durchführen. … Es war ein sehr erfolgreicher Test.“
Der letzte Test, der mit dem Schmelzen einer Ecke eines der 16 Pfannkuchen endete, ergab nach Hartwig eine Fülle neuer Informationen. Zum einen hatten sie mehrere verschiedene Rechenmodelle verwendet, um das Design und die Vorhersage der Leistung verschiedener Aspekte der Magnetleistung zu erstellen, und im Großen und Ganzen stimmten die Modelle in ihren Gesamtvorhersagen überein und wurden durch die Reihe von Tests und realen Messungen gut validiert. Bei der Vorhersage des Auswirkungen des Quenches jedoch divergierten die Modellvorhersagen, so dass es notwendig war, experimentelle Daten zu erhalten, um die Gültigkeit der Modelle zu bewerten.
„Die hochgenauesten Modelle, die wir hatten, prognostizierten fast genau, wie sich das Magnetfeld aufheizen würde, in welchem Maße es sich aufheizen würde, wenn es begann zu quenchen, und wo der resultierende Schaden am Magneten auftreten würde“, sagt er. Wie in einem der neuen Berichte detailliert beschrieben, „hat uns dieser Test genau die Physik aufgezeigt, die dabei ablief, und hat uns gesagt, welche Modelle für die Zukunft nützlich waren und welche liegen gelassen werden sollten, weil sie nicht korrekt sind.“
Sagt Whyte: „Im Grunde haben wir absichtlich das Schlimmstmögliche mit einer Spule gemacht, nachdem wir alle anderen Aspekte der Spulenleistung getestet hatten. Und wir stellten fest, dass die meisten Teile der Spule unbeschadet blieben“, während ein isolierter Bereich einige Schmelzungen zeigte. „Es ist so, als ob ein paar Prozent des Volumens der Spule beschädigt wurden.“ Und das führte zu Änderungen im Design, die dazu dienen sollen, solche Schäden in den Magneten des eigentlichen Fusionsgeräts selbst unter den extremsten Bedingungen zu verhindern.
Hartwig betont, dass ein wesentlicher Grund dafür, dass das Team in der Lage war, ein derart radikales, neuen Rekordmagnetdesign zu erstellen und es beim ersten Mal richtig hinzu bekommen sowie nach einem atemberaubenden Zeitplan umzusetzen, den tiefen Wissens- und Expertisestand sowie die über Jahrzehnte des Betriebs des Alcator C-Mod Tokamaks, des Francis Bitter Magnet Laboratory und anderer Arbeiten am PSFC gesammelten Ausrüstung verdankt. „Dies geht zum Kern der institutionellen Fähigkeiten eines Ortes wie diesem“, sagt er. „Wir verfügten über die Kapazität, die Infrastruktur, den Raum und die Menschen, um all dies unter einem Dach zu tun.“
Die Zusammenarbeit mit CFS war ebenfalls entscheidend, sagt er, wobei MIT und CFS die leistungsfähigsten Aspekte einer akademischen Institution und eines privaten Unternehmens kombinierten, um Dinge gemeinsam zu erreichen, die keines von beiden allein geschafft hätte. „Ein Beispiel dafür war eine der Hauptbeiträge von CFS, die den Einfluss eines privaten Unternehmens nutzte, um innerhalb eines unpräzedenziellen Zeitraums und auf einem unvergleichlichen Niveau eine Lieferkette für das kritischste Material des Projekts aufzubauen: 300 Kilometer (186 Meilen) Hochtemperatursupraleiter, die innerhalb weniger als einem Jahr unter strenger Qualitätskontrolle beschafft und pünktlich in den Magneten integriert wurden.“
Die Integration der beiden Teams, jener von MIT und jener von CFS, war ebenfalls entscheidend für den Erfolg, sagt er. „Wir dachten von uns als einem Team, und das ermöglichte es uns, was wir geleistet haben.“
