Στις προμεσονύκτιες ώρες της 5ης Σεπτεμβρίου 2021, οι μηχανικοί πέτυχαν ένα σημαντικό ορόσημο στα εργαστήρια του Κέντρου Πλάσματος και Σύντηξης του MIT (PSFC), όταν ένας νέος τύπος μαγνήτη, κατασκευασμένος από υλικό υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγιμότητας, πέτυχε παγκόσμιο ρεκόρ έντασης μαγνητικού πεδίου 20 τεσλά για έναν μεγάλης κλίμακας μαγνήτη. Αυτή είναι η ένταση που απαιτείται για την κατασκευή ενός εργοστασίου παραγωγής σύντηξης που αναμένεται να παράγει καθαρή παραγωγή ενέργειας και ενδεχομένως να εισαγάγει μια εποχή σχεδόν απεριόριστης παραγωγής ενέργειας.
Η δοκιμή ανακοινώθηκε αμέσως ως επιτυχία, έχοντας πληροί όλα τα κριτήρια που καθορίστηκαν για το σχεδιασμό της νέας συσκευής σύντηξης, που ονομάζεται SPARC, για την οποία οι μαγνήτες είναι η βασική τεχνολογία που επιτρέπει. Οι φελλοί από σαμπάνια εκτοξεύτηκαν καθώς η κουρασμένη ομάδα πειραματιστών, που είχε εργαστεί σκληρά και επίμονα για να καταστήσει δυνατή την επίτευξη, γιόρτασε την επιτυχία της.
Αλλά αυτό ήταν μακριά από το τέλος της διαδικασίας. Κατά τους επόμενους μήνες, η ομάδα αποσυναρμολόγησε και εξέτασε τα εξαρτήματα του μαγνήτη, μελέτησε και ανάλυσε τα δεδομένα από εκατοντάδες όργανα που κατέγραψαν λεπτομέρειες των δοκιμών, και πραγματοποίησε δύο επιπλέον δοκιμές στον ίδιο μαγνήτη, τελικά πιέζοντάς τον στο όριο του για να μάθει τις λεπτομέρειες τυχόν πιθανών τρόπων αποτυχίας.
Όλο αυτό το έργο έχει κορονιστεί τώρα με μια λεπτομερή έκθεση από ερευνητές στο PSFC και την εταιρεία Commonwealth Fusion Systems (CFS), μια εξελικτική εταιρεία του MIT, δημοσιευμένη σε μια συλλογή από έξι παρακολουθούμενες έντυπα εργασίες σε ένα ειδικό τεύχος του Μαρτίου του IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Μαζί, τα έγγραφα περιγράφουν το σχεδιασμό και την κατασκευή του μαγνήτη και του διαγνωστικού εξοπλισμού που απαιτείται για την αξιολόγηση της απόδοσής του, καθώς και τα διδάγματα που αντλήθηκαν από τη διαδικασία. Συνολικά, η ομάδα διαπίστωσε ότι οι προβλέψεις και η υπολογιστική μοντελοποίηση ήταν ακριβείς, επιβεβαιώνοντας ότι τα μοναδικά στοιχεία σχεδίασης του μαγνήτη θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως θεμέλιο για ένα εργοστάσιο πυρηνικής σύντηξης.
Ενεργοποίηση πρακτικής πυρηνικής σύντηξης
Η επιτυχής δοκιμή του μαγνήτη, λέει ο Καθηγητής Μηχανικής της Hitachi America, Ντένις Γουάιτ, ο οποίος πρόσφατα παραιτήθηκε από τη θέση του διευθυντή του PSFC, ήταν “το πιο σημαντικό πράγμα, κατά τη γνώμη μου, στα τελευταία 30 χρόνια έρευνας πυρηνικής σύντηξης.”
Πριν από τη διαδήλωση της 5ης Σεπτεμβρίου, οι καλύτεροι διαθέσιμοι υπεραγώγιμοι μαγνήτες ήταν αρκετά ισχυροί ώστε να επιτύχουν ενέργεια σύντηξης — αλλά μόνο σε μεγέθη και κόστη που δεν θα μπορούσαν ποτέ να είναι πρακτικά ή οικονομικά βιώσιμα. Στη συνέχεια, όταν οι δοκιμές έδειξαν την πρακτικότητα ενός τόσο ισχυρού μαγνήτη σε πολύ μειωμένο μέγεθος, “αυτή τη νύχτα, ουσιαστικά άλλαξε το κόστος ανά watt ενός αντιδραστήρα σύντηξης κατά σχεδόν 40 φορές σε μία ημέρα,” λέει ο Whyte.
“Τώρα η σύντηξη έχει μια ευκαιρία,” προσθέτει ο Whyte. Οι τοκαμάκ, ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος σχεδιασμός για πειραματικές συσκευές σύντηξης, “έχουν μια ευκαιρία, κατά τη γνώμη μου, να είναι οικονομικοί επειδή έχετε μια κβαντική αλλαγή στην ικανότητά σας, με τους γνωστούς κανόνες φυσικής περιορισμού, σχετικά με την ικανότητα να μειώσετε σημαντικά το μέγεθος και το κόστος αντικειμένων που θα καθιστούσαν δυνατή τη σύντηξη.”
Τα συνολικά δεδομένα και η ανάλυση από τη δοκιμή μαγνητών του PSFC, όπως αναλύεται στα έξι νέα έγγραφα, έχουν αποδείξει ότι τα σχέδια για μια νέα γενιά συσκευών σύντηξης — αυτή που σχεδιάστηκε από το MIT και την CFS, καθώς και παρόμοια σχέδια από άλλες εμπορικές εταιρείες σύντηξης — βασίζονται σε μια στέρεη επιστημονική βάση.
Η υπεραγώγιμη ανακάλυψη
Η σύντηξη, η διαδικασία συνδυασμού ελαφρών ατόμων για να σχηματίσουν βαρύτερα, τροφοδοτεί τον ήλιο και τα αστέρια, αλλά η εκμετάλλευση αυτής της διαδικασίας στη Γη έχει αποδειχθεί μια δύσκολη πρόκληση, με δεκαετίες σκληρής δουλειάς και πολλές δισεκατομμύρια δολάρια να έχουν δαπανηθεί σε πειραματικές συσκευές. Ο μακροχρόνια επιδιωκόμενος, αλλά ποτέ δεν επιτευχθείς, στόχος είναι να κατασκευαστεί ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας από σύντηξη που να παράγει περισσότερη ενέργεια από ό,τι καταναλώνει. Ένα τέτοιο εργοστάσιο θα μπορούσε να παράγει ηλεκτρισμό χωρίς να εκπέμπει αέρια του θερμοκηπίου κατά τη διάρκεια της λειτουργίας, και να παράγει πολύ λίγα ραδιενεργά απόβλητα. Το καύσιμο της σύντηξης, μια μορφή υδρογόνου που μπορεί να προέλθει από θαλασσινό νερό, είναι σχεδόν απεριόριστο.
Αλλά για να λειτουργήσει απαιτείται η συμπίεση του καυσίμου σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, και καθώς κανένα γνωστό υλικό δεν θα μπορούσε να αντέξει τέτοιες θερμοκρασίες, το καύσιμο πρέπει να κρατιέται στη θέση του από εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία. Η παραγωγή τόσο ισχυρών πεδίων απαιτεί υπεραγώγιμα μαγνήτες, αλλά όλοι οι προηγούμενοι μαγνήτες σύντηξης έχουν κατασκευαστεί με ένα υπεραγώγιμο υλικό που απαιτεί ψυχρές θερμοκρασίες περίπου 4 βαθμών πάνω από το απόλυτο μηδέν (4 κελβίν, ή -270 βαθμούς Κελσίου). Τα τελευταία χρόνια, ένα νεότερο υλικό με το παρατσούκλι REBCO, για το σπάνιο γη βάριο χαλκού οξείδιο, προστέθηκε στους μαγνήτες σύντηξης, και τους επιτρέπει να λειτουργούν σε 20 κελβίν, μια θερμοκρασία που παρά το ότι είναι μόνο 16 κελβίν πιο ζεστή, προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα όσον αφορά τις υλικές ιδιότητες και την πρακτική μηχανική.
Η χρήση αυτού του νέου υλικού υπεραγωγότητας υψηλών θερμοκρασιών δεν ήταν απλώς θέμα αντικατάστασής του σε υπάρχουσες σχεδιασμούς μαγνήτων. Αντιθέτως, «ήταν μια αναθεώρηση από τη βάση σχεδόν όλων των αρχών που χρησιμοποιείτε για να κατασκευάσετε μαγνήτες υπεραγωγότητας», λέει ο Whyte. Το νέο υλικό REBCO είναι «εξαιρετικά διαφορετικό από την προηγούμενη γενιά των υπεραγωγών. Δεν θα αναπτύξετε και αντικαταστήσετε, θα καινοτομήσετε πραγματικά από τη βάση». Οι νέες εργασίες Transactions on Applied Superconductivity περιγράφουν τις λεπτομέρειες αυτής της διαδικασίας αναδιαμόρφωσης, τώρα που η προστασία πατέντων είναι σε θέση.
Μια βασική καινοτομία: καμία μόνωση
Μία από τις δραματικές καινοτομίες, που είχε πολλούς άλλους στον τομέα σκεπτικούς για τις πιθανότητες επιτυχίας της, ήταν η εξάλειψη της μόνωσης γύρω από τις λεπτές, επίπεδες ταινίες υπεραγωγού που σχημάτιζαν το μαγνήτη. Όπως σχεδόν όλα τα ηλεκτρικά καλώδια, οι συμβατικοί υπεραγωγικοί μαγνήτες είναι πλήρως προστατευμένοι από μονωτικό υλικό για να αποτρέπουν βραχυκυκλώματα μεταξύ των καλωδίων. Αλλά στον νέο μαγνήτη, η ταινία αφέθηκε εντελώς γυμνή; οι μηχανικοί βασίστηκαν στην πολύ μεγαλύτερη αγωγιμότητα του REBCO για να διατηρήσουν το ρεύμα να ρέει μέσα από το υλικό.
“Όταν ξεκινήσαμε αυτό το έργο, ας πούμε το 2018, η τεχνολογία της χρήσης υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας για την κατασκευή μεγάλων μαγνητών υψηλού πεδίου ήταν σε πρώιμο στάδιο,” λέει ο Zach Hartwig, Καθηγητής Επαγγελματικής Ανάπτυξης Robert N. Noyce στο Τμήμα Πυρηνικής Επιστήμης και Μηχανικής. Ο Hartwig έχει συνδιορισμό στο PSFC και είναι ο επικεφαλής της ομάδας μηχανικής του, η οποία οδήγησε το έργο ανάπτυξης μαγνητών. “Η κατάσταση της τέχνης ήταν μικρές πειραματικές διατάξεις, που δεν ήταν πραγματικά αντιπροσωπευτικές του τι απαιτείται για να κατασκευαστεί ένα πλήρους μεγέθους αντικείμενο. Το έργο ανάπτυξης μαγνητών μας ξεκίνησε σε κλίμακα εργαστηρίου και κατέληξε σε πλήρη κλίμακα σε σύντομο χρονικό διάστημα,” προσθέτει, σημειώνοντας ότι η ομάδα κατασκεύασε έναν μαγνήτη βάρους 20.000 λιβρών που παρήγαγε ένα σταθερό, ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο λίγο πάνω από 20 τεσλά — πολύ πέρα από οποιοδήποτε τέτοιο πεδίο έχει παραχθεί ποτέ σε μεγάλη κλίμακα.
“Ο τυπικός τρόπος κατασκευής αυτών των μαγνητών είναι να τυλίξετε τον αγωγό και να έχετε μόνωση μεταξύ των σπειρωμάτων, και χρειάζεστε μόνωση για να αντιμετωπίσετε τις υψηλές τάσεις που παράγονται κατά τη διάρκεια μη κανονικών γεγονότων όπως μια διακοπή.” Η εξάλειψη των στρωμάτων μόνωσης, λέει, “έχει το πλεονέκτημα ότι είναι ένα σύστημα χαμηλής τάσης. Απλοποιεί σημαντικά τις διαδικασίες κατασκευής και το χρονοδιάγραμμα.” Αφήνει επίσης περισσότερο χώρο για άλλα στοιχεία, όπως περισσότερη ψύξη ή περισσότερη δομή για αντοχή.
Η συναρμολόγηση του μαγνήτη είναι μια ελαφρώς μικρότερη κλίμακα έκδοση αυτών που θα σχηματίσουν το θάλαμο σχήματος ντόνατ του συσκευής σύντηξης SPARC που κατασκευάζεται τώρα από την CFS στο Devens, Massachusetts. Αποτελείται από 16 πλάκες, που ονομάζονται τηγάνια, κάθε μία από τις οποίες φέρει μια σπειροειδή περιέλιξη της υπεραγώγιμης ταινίας από τη μία πλευρά και κανάλια ψύξης για το αέριο ήλιο από την άλλη.
Αλλά ο σχεδιασμός χωρίς μόνωση θεωρήθηκε ριψοκίνδυνος, και πολλά εξαρτώνταν από το πρόγραμμα δοκιμών. “Αυτός ήταν ο πρώτος μαγνήτης σε οποιαδήποτε επαρκή κλίμακα που πραγματικά διερεύνησε τι περιλαμβάνεται στο σχεδιασμό, την κατασκευή και τη δοκιμή ενός μαγνήτη με αυτή την λεγόμενη τεχνολογία χωρίς μόνωση και χωρίς στροφή,” λέει ο Χάρτβιγκ. “Ήταν πολύ μεγάλη έκπληξη για την κοινότητα όταν ανακοινώσαμε ότι ήταν μια σπείρα χωρίς μόνωση.”
Σπρώχνοντας στα όρια … και πέρα
Η αρχική δοκιμή, που περιγράφεται σε προηγούμενα έγγραφα, απέδειξε ότι η διαδικασία σχεδιασμού και κατασκευής όχι μόνο λειτούργησε αλλά ήταν και εξαιρετικά σταθερή — κάτι που αμφισβήτησαν ορισμένοι ερευνητές. Οι επόμενες δύο δοκιμές, που πραγματοποιήθηκαν επίσης στα τέλη του 2021, έσπρωξαν τη συσκευή στα όρια δημιουργώντας σκόπιμα ασταθείς συνθήκες, συμπεριλαμβανομένης μιας πλήρους διακοπής της εισερχόμενης ενέργειας που μπορεί να οδηγήσει σε καταστροφική υπερθέρμανση. Γνωστή ως κατάψυξη, αυτή θεωρείται το χειρότερο σενάριο για τη λειτουργία τέτοιων μαγνητών, με την πιθανότητα να καταστραφεί ο εξοπλισμός.
Μέρος της αποστολής του προγράμματος δοκιμών, λέει ο Χάρτβιγκ, ήταν “να αποσυρθεί πραγματικά και σκόπιμα ένας πλήρους κλίμακας μαγνήτης, ώστε να μπορέσουμε να αποκτήσουμε τα κρίσιμα δεδομένα στην κατάλληλη κλίμακα και τις κατάλληλες συνθήκες για να προχωρήσουμε την επιστήμη, να επικυρώσουμε τους κωδικούς σχεδίασης, και στη συνέχεια να αποσυναρμολογήσουμε τον μαγνήτη και να δούμε τι πήγε στραβά, γιατί πήγε στραβά, και πώς μπορούμε να προχωρήσουμε στην επόμενη επανάληψη για να το διορθώσουμε. … Ήταν μια πολύ επιτυχημένη δοκιμή.”
Η τελική δοκιμή, η οποία ολοκληρώθηκε με την τήξη μιας γωνίας ενός από τα 16 τηγανίτες, παρήγαγε μια πλούσια πηγή νέων πληροφοριών, λέει ο Χάρτβιγκ. Για ένα πράγμα, είχαν χρησιμοποιήσει διάφορα υπολογιστικά μοντέλα για να σχεδιάσουν και να προβλέψουν την απόδοση διαφόρων πτυχών της απόδοσης του μαγνήτη, και κατά το μεγαλύτερο μέρος, τα μοντέλα συμφώνησαν στις συνολικές τους προβλέψεις και επικυρώθηκαν καλά από τη σειρά δοκιμών και τις μετρήσεις στον πραγματικό κόσμο. Αλλά στην πρόβλεψη της επίδρασης της ψύξης, οι προβλέψεις των μοντέλων αποκλίνουν, οπότε ήταν απαραίτητο να αποκτηθούν τα πειραματικά δεδομένα για να αξιολογηθεί η εγκυρότητα των μοντέλων.
“Τα μοντέλα με την υψηλότερη πιστότητα που είχαμε προβλέψει σχεδόν ακριβώς πώς θα ζεσταινόταν το μαγνήτη, σε ποιο βαθμό θα ζεσταινόταν καθώς άρχιζε να σβήνει, και πού θα ήταν η προκύπτουσα ζημιά στον μαγνήτη,” λέει. Όπως περιγράφεται λεπτομερώς σε μία από τις νέες αναφορές, “Αυτή η δοκιμή μας είπε ακριβώς τη φυσική που συνέβαινε, και μας είπε ποια μοντέλα ήταν χρήσιμα για το μέλλον και ποια να αφήσουμε στην άκρη γιατί δεν είναι σωστά.”
Ο Whyte λέει, “Βασικά κάναμε το χειρότερο δυνατό πράγμα σε μια σπείρα, σκόπιμα, αφού είχαμε δοκιμάσει όλες τις άλλες πτυχές της απόδοσης της σπείρας. Και διαπιστώσαμε ότι οι περισσότερες από τις σπείρες επιβίωσαν χωρίς ζημιά,” ενώ μια απομονωμένη περιοχή υπέστη κάποια τήξη. “Είναι σαν μερικά τοις εκατό του όγκου της σπείρας που υπέστη ζημιά.” Και αυτό οδήγησε σε αναθεωρήσεις στο σχέδιο που αναμένονται να αποτρέψουν τέτοια ζημιά στους πραγματικούς μαγνήτες της συσκευής σύντηξης, ακόμη και υπό τις πιο ακραίες συνθήκες.
Ο Hartwig τονίζει ότι ένας σημαντικός λόγος που η ομάδα κατάφερε να επιτύχει έναν τόσο ριζοσπαστικό νέο σχεδιασμό μαγνήτη που καταρρίπτει ρεκόρ, και να το πετύχει σωστά την πρώτη φορά και σε ένα ασφυκτικό χρονοδιάγραμμα, ήταν χάρη στο βαθύ επίπεδο γνώσης, εμπειρίας και εξοπλισμού που έχει συσσωρευτεί κατά τη διάρκεια δεκαετιών λειτουργίας του tokamak Alcator C-Mod, του Εργαστηρίου Μαγνητών Francis Bitter και άλλων εργασιών που πραγματοποιήθηκαν στο PSFC. “Αυτό αγγίζει την καρδιά των θεσμικών ικανοτήτων ενός μέρους όπως αυτό,” λέει. “Είχαμε την ικανότητα, την υποδομή, και τον χώρο και τους ανθρώπους για να κάνουμε αυτά τα πράγματα κάτω από μια στέγη.”
Η συνεργασία με την CFS ήταν επίσης καθοριστική, λέει, με το MIT και την CFS να συνδυάζουν τις πιο ισχυρές πτυχές ενός ακαδημαϊκού ιδρύματος και μιας ιδιωτικής εταιρείας για να κάνουν πράγματα μαζί που κανένα από τα δύο δεν θα μπορούσε να είχε κάνει μόνο του. “Για παράδειγμα, μία από τις κύριες συνεισφορές της CFS ήταν η αξιοποίηση της δύναμης μιας ιδιωτικής εταιρείας για να καθιερώσει και να κλιμακώσει μια αλυσίδα εφοδιασμού σε ένα πρωτοφανές επίπεδο και χρονοδιάγραμμα για το πιο κρίσιμο υλικό του έργου: 300 χιλιόμετρα (186 μίλια) υπεραγωγού υψηλής θερμοκρασίας, το οποίο αποκτήθηκε με αυστηρό ποιοτικό έλεγχο σε λιγότερο από ένα χρόνο, και ενσωματώθηκε σύμφωνα με το χρονοδιάγραμμα στον μαγνήτη.”
Η ενσωμάτωση των δύο ομάδων, αυτών από το MIT και αυτών από την CFS, ήταν επίσης κρίσιμη για την επιτυχία, λέει. “Σκεφτόμασταν τους εαυτούς μας ως μία ομάδα, και αυτό έκανε δυνατό το να κάνουμε ό,τι κάναμε.”
