5. syyskuuta 2021 keskisinäiden tuntien aikana insinöörit saavuttivat suuren merkityksen MIT:n Plasma Science and Fusion Center (PSFC) -laboratorioissa, kun uusi tyyppi magneettia, joka tehtiin korkealämpötila-superkonduktiivisesta materiaalista, sai maailman ennätyksen magneettikentän voimakkuudella 20 teslaa suurelle skaalalle tehdylle magneetille. Tämä on se voimakkuus, jota tarvitaan ydinliitosähköaseman rakentamiseen, joka odotetaan tuottavan netto-energiavalvon ja mahdollisesti avaavan ajankohdan virtuaalisesti rajattomasta sähköntuotannosta.
Testi julistettiin välittömästi menestykseksi, koska se täytti kaikki SPARC-nimelle uuden yhdistymissuomieläimen suunnittelussa asetetut kriteerit, jolle magneetit ovat avainasemassa oleva teknologia. Kokeilijoiden väsyneiden joukon, jotka olivat vaivautuneet pitkään saavuttaakseen tämän saavutuksen, viinipulloja pyyhkäistiin käytävässä juhlaksi.
Mutta se ei ollut prosessin loppu. Seuraavien kuukausien aikana tiimi hajotti ja tarkasteli magneetin osia, tutki ja analysoi satojen mittarien keräämät testien tiedot ja suoritti kaksi lisätestisuoritusta samalla magneetilla, lopulta ajamalla sen rajojen yli oppiakseen mahdollisten epäonnistumismallien yksityiskohdat.
Kaikki tämä työ on nyt johtanut yksityiskohtaiseen raporttiin tutkijoiden keskuudessa PSFC:ssä ja MIT:n spinout-yhtiössä Commonwealth Fusion Systems (CFS), joka on julkaistu kuuden vertaisarvioitunut paperin kokoelmassa erityisnumeronäyttämönä maaliskuun numerossa IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Yhdessä paperit kuvaavat magneettia ja sen suorittamiseen tarvittavaa diagnostista laitteistoa sekä prosessista opittuja oppimukset. Kokonaisuudessaan tiimi löysi, että ennusteet ja tietokoneen mallintaminen olivat täsmällisiä, vahvistamalla, että magneettien ainutlaatuinen suunnitelma voisi toimia ydinliiton voimaloiden perustana.
Tehokkaan ydinliiton voiman mahdollistaminen
Magneettien onnistunut testaus, sanoo Hitachi America -insinööriprofessori Dennis Whyte, joka äskettäin lopetti tehtävänsä PSFC:n johtajana, oli ”mielestäni tärkein asia viimeisen 30 vuoden ydinliiton tutkimuksessa.”
Ennen 5. syyskuuta järjestetyssä esityksessä, parhaat saatavilla olevat superjohde-magneetit olivat voimakkaita tarpeeksi potentiaalisesti saavuttaakseen ydinliitosenergian — mutta vain kokoja ja kustannuksia, jotka eivät koskaan olisi olleet käytännöllisiä tai taloudellisesti viisaan. Sitten, kun testit osoittivat sellaisen vahvan magneetin käytettävyyden merkittävästi pienemmällä koonnilla, "yötä päivään se muutti ydinliitosreaktorin kustannuksen wattia kohti noin 40-kertaisesti yhdessä päivässä", sanoo Whyte.
"Nyt ydinliitosella on mahdollisuus", lisää Whyte. Tokamakit, laajimmin käytettyjä suunnittelemattomia ydinliitoslaitteita varten, "ovat mielestäni taloudellisia, koska sinulla on kvanttimuutos kyvyssäsi, tunnettuja fysiikan sääntöjä noudattaen, pystyäksesi huomattavasti pienentämään kokoa ja kustannuksia niissä asioissa, jotka tekevät ydinliitoksen mahdolliseksi."
PSFC:n magneettikokeen laaja data ja analyysi, kuten se yksityiskohtaisesti kuvaavat kuusi uutta artikkelia, ovat osoittaneet, että suunnitelmat uuden sukupolven ydinliitoslaitteille – MITin ja CFS:n suunnittelema sekä muiden ydinliitosyritysten samankaltaiset suunnitelmat – perustuvat vankkaan tieteelliseen perusteeseen.
Superjohtokyvykkyyden läpimurto
Ydinliitos, joka on prosessi, jossa kevyitä atomeja yhdistetään muodostaakseen painovampaita, tarjoaa aurinko- ja tähdet voiman, mutta sen käyttö maapallolla on osoittautunut haastavaksi tehtäväksi. Vuosikymmenien mittainen työ ja monien miljardien dollareiden käyttö kokeellisissa laitteissa ovat edelleen johtaneet vain pitkään pyrittyyn, mutta ei vielä saavutettuun tavoitteeseen: rakentaa ydinliitosvoimala, joka tuottaa enemmän energiaa kuin se kuluttaa. Tällainen voimala voisi tuottaa sähköä ilman kasvihuonekaasupäästöjä toiminnassa ja tuottaisi hyvin vähän radioaktiivista jätettä. Ydinliiton polttoaineena käytettävä hiilensuunnikasta voidaan hankkia merivesistä ja se on käytännössä rajattomat.
Mutta saada se toimimaan vaatii polttoaineen pakkaamisen erittäin korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, ja koska mikään tunnettu materiaali ei voi selviytyä tällaisista lämpötiloista, polttoaine täytyy pitää paikoillaan erittäin vahvien magneettikenttien avulla. Tämänkaltaisten voimakkaiden kenttien tuottaminen edellyttää superjohde-magneetteja, mutta kaikki aiemmat ydinliitos-magneetit on tehty superjohto-aineesta, joka vaatii jäähdytystemperatureita noin 4 asteesta absoluuttisen nollan yläpuolella (4 kelvinia tai -270 celsiusastetta). Viime vuosina uusi materiaali, jota kutsumme lyhyesti REBCO:ksi harvakiinteisestä bariumpitoiseesta kuparilokseesta, lisätty ydinliitos-magneetteihin, ja se mahdollistaa niiden toiminnan 20 kelvinin lämpötilalla, mikä on lämpötila, joka vaikka on vain 16 kelvinin lämpimämpi, tuo merkittäviä etuja materiaalien ominaisuuksissa ja käytännön insinööri-toiminnassa.
Hyödyntämisen uutta korkealämpötilaista superjohtajamateriaalia ei ollut vain kysymys siitä, että se vaihdetaan nykyisten magneettisuunnitelmissa. Sen sijaan, "se oli läpinäkivä uudelleenmuokkaus melkein kaikista periaatteista, joita käytät superjohtavien magneettien rakentamiseen," sanoo Whyte. Uusi REBCO-materiaali on "erittäin erilainen kuin edellinen sukupolvi superjohtajia. Et vain sopeuta ja korvaa, vaan itse asiassa innovoidaan alusta alkaen." Uudet paperit Transaktionsover sovellus-superjohto kuvaavat uudelleensuunnittelun yksityiskohtia, nyt kun patenttisuojelu on paikalla.
Avainkohdaksi keksintö: ei isolointia
Yksi draaamallisista innovaatioista, josta monet muut kentän toimijat olivat epäileviä sen menestyksen mahdollisuuksista, oli eristämisen poistaminen ympäröimästä ohujen, taittoväristen superjohtokkeisten nauhojen ympäriltä, jotka muodostivat magneetin. Kuten melkein kaikki sähköjohdot, perinteiset superjohtokkeisten magneetit ovat täysin suojattuja eristysmateriaalilla estääkseen lyhytkiertoja johdojen välillä. Uudessa magneetissa nauru jätettiin täysin ilman eristystä; insinöörit luottivat REBCOn paljon suurempaan johtavuuteen pitääkseen virta kulkevana materiaalin läpi.
”Kun aloitimme tämän projektin, noin vuonna 2018, teknologia korkealämpötilaisuuden superjohtojen käyttämisestä suurten korkeakenttäisten magneettien rakentamiseksi oli vielä lapsellisessa vaiheessa”, sanoo Zach Hartwig, Robert N. Noycen urakehitysyliopistoprofessori ydin- ja energitekniikan laitoksessa. Hartwigilla on toinen paikka PSFC:ssä, ja hän johtaa sen insinööripuoleryhmää, joka johti magneettiprojektissa. ”Parhaassa tilassa oli pienet pöytäkokeet, jotka eivät todellakaan edustaneet sitä, mitä tarvitaan kokoinen asia rakennettavaksi. Magneettiprojektimme alkoi pöytäkokeiden mittakaavalla ja päätyi kokoinen mittakaavaan hyvin lyhyessä ajassa”, hän lisää, huomauttaen että tiimi rakensi 9.072-kilogramman magneetin, joka tuotti vakion, tasaisen magneettikentän noin 20 teslalla – paljon enemmällä kuin mikään tällainen kenttä on koskaan tuottanut suurella mittakaavalla.
”Perinteinen tapa rakentaa näitä magneetteja on, että kierroitte johtajaa ja olisitte eristämässä kierrokset toisistaan, ja sinun täytyy olla eristystä käsitelläkseen korkeat jännitteet, jotka syntyvät epänormaalissa tilanteessa, kuten sammutuksessa.” Hän sanoo, että poistamalla eristyskerrokset ”on edullisuutena alhainen jännitejärjestelmä. Se merkittävästi yksinkertaistaa valmistusprosessit ja aikataulun.” Se antaa myös enemmän tilaa muiden elementtien, kuten lisää jäähdytystä tai rakenteellista vahvuutta, sisällyttämiseksi.
Magneettirakennelma on hieman pienempi versio niistä, jotka muodostavat pyöreän huoneiston SPARC-ytimekkäiselle laitteelle, jonka CFS rakentaa nyt Devensissä, Massachusettsissa. Se koostuu 16 levystä, joita kutsutaan leiviksi, ja jokaisella on superjohtavan nauhan kierre kytketty yhdelle puolelta ja heliumkaasua varten tarkoitettuja jäähdytyskanavia toisella puolella.
Mutta ilman isolointia oleva suunnitelma pidettiin riskekkänä, ja monipuolisesti testausohjelmaan oli kiinnittyvä. "Tämä oli ensimmäinen magneetti riittävässä mittakaavassa, joka todella tutki, mitä on mukana magneetin suunnittelussa, valmistamisessa ja testaamisessa tässä niin sanotussa ilman-isolointia- ja ilman-käännösteknologiassa", sanoo Hartwig. "Se oli hyvin suuri yllätys yhteisölle, kun ilmoitimme, että se oli ilman-isolointia-korvaaja."
Kohti rajojen ylittämistä … ja sen läpi
Alkuperäinen testi, josta kuvailtiin aiemmissa artikkeleissa, todisti, että suunnittelu- ja valmistusprosessi ei vain toiminut vaan se oli erittäin vakaa – jotain, mitä joitakin tutkijoita epäröivät. Seuraavat kaksi testijaksoa, jotka suoritettiin myös lopussa 2021, kehittivät laitteen rajoja rajusti luomalla epävakaita olosuhteita, mukaan lukien täydellinen virtatoiminnan pysäyttäminen, mikä voi johtaa katastrofaaliseen liioitumiseen. Tämä tunnetaan kuuloksi, mikä on harkittu pahimmaksi skenaarioksi tällaisten magneettien toiminnassa, sillä se voi tuhota laitteiston.
Testiohjelman tehtävistä, sanoo Hartwig, oli "todellakin lähteä pois ja tarkoituksella kytelemään kokopainoinen magneetti, jotta voimme saada kriittinen data oikealla mittakaavalla ja oikeissa olosuhteissa edistääksemme tieteen kehitystä, validoidaksemme suunnittelukoodit, ja sitten hajottaaaksemme magneetin osiin ja nähdäksemme, mitä meni pieleen, miksi se meni pieleen, ja miten otamme seuraavan iteraation ongelmien korjaamiseksi. ... Se oli erittäin onnistunut testi."
Viimeinen testi, joka päättyi yhden kulman sulautumiseen yhdestä 16 panekosta, tuotti runsaasti uutta tietoa, sanoo Hartwig. Yhtäältä he olivat käyttäneet useita erilaisia laskennallisia malleja suunnitellakseen ja ennustettakseen erilaisten magneettin toiminnan piirteiden suorituskyvyn, ja pääosin mallit sopivat keskenään niissä yleisissä ennusteissaan ja vahvistettiin hyvin testien ja todellisuuden mittauksien sarjalla. Mutta quench-vaikutuksen ennustamisessa mallien ennusteet poikkesivat, joten oli välttämätöntä saada kokeellista dataa arvioimaan mallien validius.
”Korkeimmat uskottavuuden mallit, jotka olivat ennustaneet melkein täydellisesti, kuinka magneetti lämpenee, mihin asti se lämpenee kun alkaa purkautua, ja missä magneetin vahingot tulevat olemaan,” hän sanoo. Kuten yksityiskohtaisesti kuvataan yhdessä uusista raporteista, ”Se testi todella kertoi meille täsmälleen fyysikoa, mitä tapahtui, ja se kertoi meille, mitkä mallit ovat hyödyllisiä mennessämme eteenpäin ja mitkä jätämme rinnalle, koska ne eivät ole oikein.”
Whyte sanoo: ”Periaatteessa teimme koilille pahimman mahdollisen asian tarkoituksella, kun oli testattu kaikki muut koilien suorituskyvyn osat. Ja huomasimme, että suurin osa koilista selvisi vahingoton,” vaikka yksi erillinen alue kärsi joistosta. ”Se on kuin muutama prosentti koilin tilavuudesta, joka vaurioittui.” Ja se johti muutoksiin suunnittelussa, jotka odotetaan estävän tällaista vahinkoa todellisissa fuusiossaatteen magneeteissa, jopa äärimmäisissä olosuhteissa.
Hartwig korostaa, että merkittävä syy siihen, miksi tiimi pystyi saavuttamaan niin radikaalin uuden ennätysmagneettisen suunnitelman ja saamaan sen oikein jo ensimmäisellä kerralla sekä tiukasti aikataulussa, oli kiitettävissä syvällisestä tietoomasta, asiantuntemuksesta ja laitteistosta, jotka on kerätty vuosikymmenien ajan Alcator C-Mod tokamakin, Francis Bitter Magnet Laboratoryn ja muiden PSFC:ssä suoritetun työn ansiosta. "Tämä paljastaa keskeiset toimintakyvymme tässä kaltaisessa paikassa", hän sanoo. "Meillä oli kyky, infrastruktuuri, tilat ja ihmiset tehdä nämä asiat yhdessä katossa."
Yhteistyö CFS:n kanssa oli myös avainasemassa, sanoo hän, kun MIT ja CFS yhdistivät voimakkaimmat piirteet akateemisesta laitoksesta ja yksityisyrityksestä saadakseen aikaan asioita, joita kumpikaan ei olisi voinut tehdä yksin. ”Esimerkiksi yksi CFS:n suurista panoksista oli hyödyntää yksityisyrityksen voimavaroja rakentamalla ja laajentamalla toimitusketju ennennäkemättömällä tasolla ja ajantietoisuudella hankkiakseen projektin kaikkien keskeisimmän aineen: 300 kilometriä (186 mailia) korkealämpötilaisuuden superjohtimista, jotka hankittiin tiukasti laadunvalvonnassa alle vuoden sisällä ja integroituihin magneettiin määräpäivään mennessä.”
Kahden tiimin, MIT:n ja CFS:n tiimin, integrointi oli myös ratkaiseva menestyksen kannalta, sanoo hän. ”Ajattelimme itseämme yhtenä tiiminä, ja se teki mahdottomaksi sen, mitä me teimme.”
