5. septembri 2021. aasta koidikul saavutasid insenerid MIT'i Plasma Science and Fusion Center (PSFC) laboratooriumides olulise verstapausi, kui uus temperatuuri kõrge ülejuhtiva materjaliga valmistatud magneet saavutas suurmagneedi jaoks maailma rekordilise magnetvälja tugevuse 20 tesla. See on intensiivsus, mis on vajalik tuumaühenduselektrijaama ehitamiseks, mis toodab eeldatavasti elektri ja võib viia peaaegu piiramatu elektri tootmise ajastu.
Katsetamine kuulutati kohe edukaks, sest see vastas kõigile uue SPARC-nimelise tuumaühenduse projekteerimiseks kehtestatud kriteeriumidele, mille jaoks on magnetid peamine võimaldav tehnoloogia. Šampanja korgid lõhkusid, kui väsinud eksperimentijate meeskond, kes oli selle saavutuse saavutamiseks kaua ja kõvasti tööd teinud, tähistas oma saavutust.
Kuid see polnud veel protsess lõppenud. Järgmiste kuude jooksul rebis meeskond magneedi komponendid katki ja kontrollis neid, uuris ja analüüsis andmeid sadadest testide üksikasju salvestanud vahenditest ning tegi samal magneedile veel kaks katset, mis lõpuks tõmbas selle katkemise punkti, et teada saada võimalike rikkevortide üksikasjad.
Kõik see töö on nüüd kulmineerinud PSFC ja MIT-i spinout-ettevõtte Commonwealth Fusion Systems (CFS) teadlaste üksikasjalikus aruandes, mis on avaldatud kuues kolleegide poolt läbivaadatud artiklis IEEE rakendatud ülejuhtivuse tehingud - Jah. Üheskoos kirjeldavad nad magneedi kujundamist ja valmistamist ning selle toimimise hindamiseks vajalikku diagnostikaseadmeid ning sellest saadud õppetunde. Üldiselt leiti, et ennustused ja arvutimodelleerimine olid täpne, kinnitades, et magneti ainulaadsed disainielementid võivad olla tuumaühenduselektrijaama aluseks.
Fusioonenergia kasutuselevõtt
Hitachi Ameerika insenerprofessor Dennis Whyte, kes hiljuti lahkus PSFC direktorist, ütleb, et magneedi edukas katse oli minu arvates "kõige tähtsam asi viimase 30 aasta fusioonitöös".
Enne 5. septembri demonstreerimist olid parimad kättesaadavad ülekandvad magnetid piisavalt võimelised, et saavutada fuusioonienergia, kuid ainult suuruste ja kuludega, mis ei oleks kunagi praktilised või majanduslikult elujõulised. Kui katsed näitasid, et nii tugev magnet on väga väikestes suurustes väga kasulik, muutis see üheaegselt fuusiooni reaktori wattide kohta kulu peaaegu 40 korda ühe päevaga, ütleb Whyte.
"Nüüd on fuusioonil võimalus", lisab Whyte. Tokamaks, kõige laialdasemalt kasutatav katseliste fuusioonisüsteemide disain, on minu arvates võimalus olla majanduslik, sest teil on kvantmuutus oma võimekuses, teadlike suletud füüsika reeglitega, et suudate oluliselt vähendada fuusiooni võimaldavate objektide suurust ja kulusid.
PSFC magnetkatse põhjalikud andmed ja analüüs, mida on üksikasjalikult kirjeldatud kuue uue töödokumendis, on näidanud, et uue põlvkonna tuumaühenduste plaanid MITi ja CFSi projekteeritud ning teiste kaubanduslike tuumaühenduse ettevõtete sarnased projekteerimisplaanid põhine
Suprajuhtmete läbimurre
Fusiooni protsess, mille käigus kergemad aatomid ühendatakse raskemate aatomitega, annab päikesele ja tähtedele jõudu, kuid selle protsessi kasutamine Maal on olnud tohutu väljakutse, sest on kulutanud aastakümneid raskeid töö ja miljardeid dollareid eksperimentaalsete seadmete arendamiseks. Pikaajaline, kuid veel saavutatud eesmärk on ehitada fuusioonelektrijaam, mis toodab rohkem energiat kui tarbib. Selline elektrijaam võib toota elektrit ilma kasvuhoonegaaside heiteta ja tekitada väga vähe radioaktiivseid jäätmeid. Fusioonkütus, vesinik, mida saab saada mereveest, on praktiliselt piiritu.
Kuid selleks, et see toimiks, tuleb kütus väga kõrgel temperatuuril ja rõhul purustada. Kuna ükski teadaolev materjal ei suuda sellistele temperatuuridele vastu pidada, peavad kütust kinni hoidma äärmiselt tugevad magnetväljad. Selliste tugevate väljade tootmiseks on vaja ülekandjaid magnete, kuid kõik varasemad fuusiooni magneteid on valmistatud ülekandjatest materjalidest, mis nõuavad külma temperatuuri umbes 4 kraadi absoluutsest nullist kõrgemal (4 kelvini või -270 kraadi Celsiust). Viimastel aastatel lisati tuumaühendusmagneteele uus materjal, mida hüüdnimeks REBCO nimetatakse haruldaste maade baariumi vasekoksiidi kohta ja mis võimaldab neil töötada 20 kelvini juures, temperatuuril, mis on kõigest 16 kelvini soojem, kuid toob kaasa olulisi eeliseid materjaliomaduste ja praktilise in
Selle uue kõrgematel temperatuuridel ülejuhtiva materjali äraostamine ei olnud lihtsalt selle asendamine olemasolevates magneediprojektides. Selle asemel oli see peaaegu kõigi põhimõtte ümberarendamine, mida kasutatakse ülekandvate magnetite ehitamiseks, ütleb Whyte. Uus REBCO materjal on välja arvatud erinev eelmisest põlvkonna ülekandjatest. Sa ei hakka lihtsalt kohanema ja asendama, sa hakkad tegelikult uuendama algusest peale. Uus ajaleht Üldiselt on see võimalik ainult juhul, kui on olemas asjakohane teave. kirjeldada selle ümberkujundamise üksikasju, nüüd, kui patendikaitse on olemas.
Peamine uuendus: ei ole isolatsiooni
Üks dramaatilistest uuendustest, mille tõttu paljud teised teadlased olid skeptilised selle edu võimaluste suhtes, oli magneeti moodustava õhukese, lame superjuhipiidi ümber oleva isolatsiooni kaotamine. Nagu peaaegu kõik elektrijuhtmed, on ka tavapärased ülejuhtlikud magneetid täielikult kaitstud isolatsioonimahuga, et vältida juhtmete vahelist lühiühendust. Aga uues magnetis jäeti lint täiesti paljaks; insenerid tuginesid REBCO palju suuremale läbilasklikkusele, et hoida vool läbi materjali voolamas.
Kui me selle projekti alustame, ütleme, et 2018. aastal, oli tehnoloogia, millega kasutatakse kõrgetemperatuuriga ülekandjaid suurte kõrgvälja magnetite ehitamiseks, alles lapsenduses, ütleb Zach Hartwig, Robert N. Noyce Karjääri Arendamise Professor Tuumateaduse ja Inseneriteaduse osakonnas Hartwigil on PSFC-s kaaskohtumine ja ta on selle inseneride rühma juht, kes juhtis magnete arendamise projekti. Kunsti tipptasemel olid väikesed eksperimendid, mis ei olnud päris representatiivsed, mis on vaja täispikkuse asjaga ehitamiseks. Meie magneedi arendamise projekt algas lauaaluses ja jõudis lühikese aja jooksul täielikule skaalale", lisab ta, märkides, et meeskond ehitas 20 000 naela suuruse magneedi, mis tekitas stabiilse, ühtlase magnetvälja veidi üle 20 tesla, mis oli kaugelt suurem kui ükski selline suures
Selle magneti ehitamise standardne viis on konduktori keeramine ja keerete vahelise isolatsiooni kasutamine, ning vajad isolatsiooni, et toime tulla kõrgpingega, mis tekivad ebaharilike sündmuste, näiteks lülitamise ajal. Ta ütleb, et isolatsiooni kihtede kaotamine on eeliseks madala pingega süsteemi olemises. See lihtsustab oluliselt tootmise protsesse ja ajakava. See jätab ka rohkem ruumi teistele elementidele, näiteks rohkem jahutusele või tugevusele.
Magnet on veidi väiksem versioon neist, mis moodustavad SPARC-fusiooniseadme sõõriku kujuga kambri, mida praegu ehitab CFS Devensis, Massachusettsis. See koosneb 16 plaadist, mida nimetatakse pannkoogideks, kus igaühel on ühe külje ääres superjuhtlapiga spiralrihm ja teisel külmutuskanalid heeliumgaasi jaoks.
Kuid ilma isolatsioonita kavandamist peeti riskantseks ja palju sõltus katsekavast. "See oli esimene piisavalt suur magnet, mis tõeliselt uuris, mida tähendab magnetite projekteerimine, ehitamine ja katsetamine niinimetatud isoleerimata ja pöörlemata tehnoloogiaga", ütleb Hartwig. Ühiskonnale oli üllatus, kui teatavaks tegime, et see on isoleerimata kaare.
Suunad piirile ja kaugemale
Eelmistes artiklites kirjeldatud esialgne katse tõestas, et projekteerimis- ja tootmiseprotsess ei tööta vaid on ka väga stabiilne - mis on midagi, mida mõned teadlased kahtlesid. Järgmised kaks katset, mis toimusid ka 2021. aasta lõpus, tõmbasid seadme piirini, luues tahtlikult ebastabiilsed tingimused, sealhulgas sissetuleva elektri täieliku katkestamise, mis võib viia katastroofiliseni ülekuumenemiseni. Seda nimetatakse kustutamiseks ja seda peetakse selliste magnete töö jaoks halvimaks stsenaariumiks, mis võib seadmeid hävitada.
Osa testimissiooni programmist, ütleb Hartwig, oli tegelikult minna välja ja tahtlikult kustutada täiskaseline magnet, nii et me saame kriitilised andmed õiges skaalas ja õigetes tingimustes teaduse edasiarendamiseks, et kinnitada disaini koodid, ja siis võtta magnet lahku ja näha, mis läks valesti, miks see läks va
Hartwig ütleb, et viimane katse, mis lõppes ühe 16 pannkoogi nurga sulamisega, andis palju uut teavet. Esiteks olid nad kasutanud mitmeid erinevaid arvutusmudeleid, et kujundada ja ennustada magnetite erinevate aspektide toimimist, ning enamasti olid mudelid oma üldistes ennustustes kokku leppinud ja olid tõestatud reaalsete testide ja mõõtmiste abil. Kuid kustutamise mõju ennustamisel olid mudeli ennustused erinevad, mistõttu oli vaja saada eksperimentaalsed andmed mudelite kehtivuse hindamiseks.
"Kõige usaldusväärsemad mudelid, mida me ennustasime, näitasid peaaegu täpselt, kuidas magnet soojeneb, kui palju see soojeneb, kui see hakkab kustuma ja kus on selle tulemusel magnetile tekkinud kahju", ütleb ta. Nagu kirjeldatud üksikasjalikult ühes uues aruandes, See test ütles meile täpselt, mis füüsika toimub, ja mis mudelid on tulevikus kasulikud ja millised jätta kõrvale, sest need ei ole õiged.
Whyte ütleb: "Põhimõtteliselt tegime me kaelale meelega kõige halvemat asja, pärast seda kui olime katsetanud kõik teised kaela jõudluse aspektid. Ja me leidsime, et enamik kaelastest elas ilma kahjustusteta, samas kui üks isoleeritud ala oli veidi sulamas. See on nagu paar protsenti keerava kogusest, mis on kahjustatud. See viis disaini muutmiseni, mis peaks takistama sellist kahjustust tegelikes fuusioonisüsteemide magnetites, isegi äärmuslikes tingimustes.
Hartwig rõhutab, et üks peamisi põhjuseid, miks meeskonnal õnnestus saavutada nii radikaalne uus rekordmüügivõimega magneedi disain ja teha see kohe esimesel korral ja kiirelt, on tänu teadmiste, oskusteabe ja seadmete sügavale tasemele, mis on kogunenud aastakümnete jooksul Alcatori "See on sellise koha institutsiooniliste võimaluste keskmes", ütleb ta. Meil oli võime, infrastruktuur, ruumi ja inimesed, et teha neid asju ühe katuse all.
Tema sõnul oli oluline ka koostöö CFSiga, kus MIT ja CFS ühendasid akadeemilise asutuse ja eraettevõtte kõige võimsamad küljed, et teha koos asju, mida kumbki ei oleks suutnud ise teha. Näiteks üks CFSi suuremaid panuseid oli kasutada eraettevõtte võimu, et luua ja laiendada tarneahela enneolematul tasemel ja ajakaval projekti kõige kriitilisema materjali jaoks: 300 kilomeetri (186 miili) kõrge temperatuuriga ülekandjat, mis hangiti range kvaliteedi kontrolli all aasta jooksul ja integreeriti
Tema sõnul oli edukaks ka kahe meeskonna, MITi ja CFSi meeskonna, ühendamine. Me mõtlesime iseendast kui ühest meeskonnast ja see võimaldas meil teha seda, mida me tegime.
