U satima prije zore 5. rujna 2021., inženjeri su postigli važan miljen na laboratorijima MIT-ovog Centra za plazmensku znanost i fuziju (PSFC), kada je novi tip magneata, napravljen od materijala visoke-temperaturne superprovodnosti, postigao svjetski rekord jačine magnetskog polja od 20 tesla za veliku magneatsku konstrukciju. To je jačina koja je potrebna za izgradnju elektrostanice s fuzijom koja se očekuje da će proizvesti neto izlazak snage i potencijalno ući u doba gotovo neograničenog proizvodnje energije.
Test je odmah obјavљen kao uspješan, poшto je ispunio sva kriterija postavljena za dizajn novog fuzijskog uređaja, nazvanog SPARC, za koji su magneti ključna omogućujuća tehnologija. Češlji od šampanjanskega su pobjegli dok je umorni tim eksperimentatora, koji je dug dan i trudio da bi postigao ovaj postignuć, slavio svoj uspjeh.
Ali to je bilo daleko od kraja procesa. Tijekom sljedećih mjeseci, tim je raspio i pregledao komponente magnetske, promatrao i analizirao podatke iz stotina instrumenta koji su zabilježili pojedinosti testiranja, a također su izvršili još dvije serije testova na istom magnetu, konačno ga gurnuvši do točke rušenja kako bi naučili detalje bilo kakvih mogućih modova neuspjeha.
Sve ovaj rad je sada dozreo u detaljan izvješća od strane istraživača iz PSFC i spinout tvrtke MIT-a Commonwealth Fusion Systems (CFS), objavljenog u zbirki od šest članaka pregledanih od strane vršnjih suradnika u posebnom broju ožujnje izdanja IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Ukupno, papiri opisuju dizajn i izradu magneta i dijagnostičkog opreme potrebne za procjenu njegove performanse, te i čime smo se naučili tijekom procesa. Ukupno, time je pronađeno da su predviđanja i računalno modeliranje bila točna, što potvrđuje da su jedinstveni elementi dizajna magneta mogli biti temeljem za elektrostanicu s fuzijom.
Omogućavanje praktične snage iz fuzije
Uspješan test magneta, kaže Hitachi America profesor inženjerstva Dennis Whyte, koji je nedavno prekinuo svoju funkciju direktora PSFC-a, bio je 'najvažnija stvar, po mom mišljenju, u posljednjih 30 godina istraživanja fuzije.'
Prije demonstracije 5. rujna, najbolji raspoloživi superprovodni magneti bili su moćni dovoljno da bi mogli postići fuzijsku energiju — ali samo u veličinama i cijenama koje nikada ne bi bile praktične ili ekonomski opravdane. Zatim, kada su testovi pokazali praktičnost toliko jakega magnetskog sustava s znatno smanjenom veličinom, 'u jednu noć, osnovno je promijenila cijenu po vatima fuzijskog reaktora za faktor od skoro 40 u jednom danu', kaže Whyte.
'Sada fuzija ima šansu', dodaje Whyte. Tokamaci, najčešće korišteni dizajn za eksperimentalne fuzijske uređaje, 'imaju šansu, prema mojoj mišljenju, biti ekonomični jer imate kvantitativnu promjenu u svojoj sposobnosti, uz poznata pravila fizike zaključivanja, o biti moguće znatno smanjiti veličinu i cijenu objekata koji bi omogućili fuziju'.
Omnestranični podaci i analiza iz magnetnog testa PSFC-a, kao što je detaljno opisano u šest novih članaka, pokazali su da su planovi za novu generaciju fuzijskih uređaja — onaj koji je dizajniran od strane MIT-a i CFS-a, te slični dizajni drugih komercijalnih fuzijskih tvrtki — zasnovani na čvrstom znanstvenom temelju.
Superprovodnički prolom
Fuzija, proces spojavanja lakih atoma kako bi se stvorili teži, pogon sunca i zvijezda, dokazao se kao otežan izazov za primjenu na Zemlji. Dugogodišnji trud i mnogi milijardi dolara uloženi su u eksperimentalne uređaje. Dulje tražena, ali nikad još ne ostvarena, cilj je izgraditi fuzijsku elektrostanicu koja proizvodi više energije nego što potroši. Također bi mogla proizvoditi elektricitet bez emisije stakleničkih plinova tijekom rada i generirati vrlo malo radioaktivnog otpada. Gorivo za fuziju, oblik vodonika koji se može izvesti iz mora, praktično je beskonačno.
No entanto, para fazê-lo funcionar requer comprimir o combustível em temperaturas e pressões extraordinariamente altas, e já que nenhum material conhecido pode suportar tais temperaturas, o combustível deve ser mantido no lugar por campos magnéticos extremamente poderosos. Produzir campos tão fortes requer ímãs supercondutores, mas todos os ímãs de fusão anteriores foram feitos com um material supercondutor que requer temperaturas frias de cerca de 4 graus acima do zero absoluto (4 kelvins, ou -270 graus Celsius). Nos últimos anos, um material mais recente apelidado de REBCO, para óxido de cobre de bário da terra rara, foi adicionado aos ímãs de fusão, e permite que eles operem a 20 kelvins, uma temperatura que, apesar de ser apenas 16 kelvins mais quente, traz vantagens significativas em termos de propriedades de materiais e engenharia prática.
Iskorištavanje ovog novog visoko temperaturnog superprovodnog materijala nije bilo samo pitanje zamjene u postojećim dizajnima magneta. Umjesto toga, "bio je to preuređivanje od nule gotovo svih principa koje se koriste za gradnju superprovodnih magneta," kaže Whyte. Novi REBCO materijal je "izvanredno različit od prethodne generacije superprovodnika. Nećete samo prilagoditi i zamijeniti, zapravo ćete inovirati od nule." Novi članci u Transakcije o primjenjenoj superprovodnosti opisuju detalje tog procesa preuređivanja, sada kada je patentička zaštita na mjestu.
Ključna inovacija: bez izolacije
Jedna od dramatičnih inovacija, koja je mnoge druge u polju osjetile skeptično prema svojim šansama za uspjeh, bila je eliminacija izolacije oko tankih, ravnih traka superprovodnog traje koje su formirale magnet. Kao gotovo svi obični električki žici, konvencionalni superprovodni magneti potpuno su zaštićeni izolacijskim materijalom kako bi se sprečili kratkospajanja između žica. Ali u novom magnetu, traka je ostala potpuno golija; inženjeri su zavisili od mnogo veće provodnosti REBCO-a kako bi struja protjecala kroz materijal.
„Kada smo počeli s ovim projektom, recimo 2018., tehnologija korištenja visokotemperaturnih superprovodnika za izgradnju velikomjernih magnetskih sustava visoke snage bila je u rane faze razvoja“, kaže Zach Hartwig, Robert N. Noyce Career Development profesor na Odeljku za jezgraštevinske znanosti i inženjeriju. Hartwig ima dodatni naziv na PSFC-u i vodi njegovu inženjersku skupinu koja je vodila projekt razvoja magnetskog sustava. „Najbolji rezultati do tada su bili male eksperimente na stolnoj razini, koje nisu bile predstavljale ono što je potrebno za izradu punomjernog uređaja. Naš projekt počeo je na stolnoj razini i završio je na punoj razini u kratkom vremenu“, dodaje, ističući da je tim izgrađao magnet od 20.000 funti koji je proizveo stalno, ravnomjerno magnetsko polje od malo više od 20 tesla — daleko izvan svakog takvog polja ikada proizvedenog na velikoj razini.
„Standardan način izrade ovih magnetskih je da bi vijete provodnika i bila izolacija između zavojaca, a potrebna je izolacija kako bi se rukovala visokim naprezima koje nastaju tijekom neobičnih događaja poput isključivanja.“ Uklanjanje slojeva izolacije, kaže on, „ima prednost niske-naporne sustava. Mnogo pojednostavljuje postupke izrade i raspored.“ Također ostavlja više prostora za druge elemente, kao što su više hlađenja ili više strukture za jačinu.
Magnetni sastav je malo manje dimenzije od onih koji će obrazovati štapasti prostor kamere SPARC fuzijskog uređaja koji se trenutno gradi od strane CFS-a u Devensu, Massachusetts. Sastoji se od 16 ploča, poznatih kao pancake-ovi, svaka s vijenjem supersprovedujuće trake na jednoj strani i kanalima za hladnjak helijuma na drugoj.
No-insulation dizajn je međutim smatran rizičnim, a na programu testiranja je ovisilo mnogo. "Ovo je bio prvi magnetski sustav u bilo kojem dovoljno velikom razmjeru koji je stvarno istraživao što znači projektirati, izraditi i testirati magnetski sustav s ovom tzv. tehnologijom bez izolacije i bez krutanja", kaže Hartwig. "Bilo je to vrlo iznenađujuće za zajednicu kada smo objavili da je to spirala bez izolacije."
Goni do granice ... i izvan nje
Početno testiranje, opisano u ranijim radovima, dokazalo je da dizajn i proces proizvodnje ne samo što rade, nego su i visoko stabilni — nešto što su neki istraživači sumnjali. Sljedeća dva testa, također provedena kasno 2021., onda su gurnula uređaj do granice stvarajući namjerno nestabilne uvjete, uključujući potpuni isključivanje dolazne struje što može dovesti do katastrofalnog pretopljenja. Poznato kao 'quenching', ovo se smatra najgorim scenarijem za rad takvih magneta, s mogućnošću uništiti opremu.
Dio misije testnog programa, kaže Hartwig, bio je „zapravo otići i namjerno gasiti punomjeran magnet, tako da možemo dobiti kritične podatke u pravom razmjeru i pravim uvjetima kako bismo napredovali s znanjem, validirali dizajnske kode, a zatim rasipali magnet i vidjeli što je pošlo krivo, zašto je to pošlo krivo, i kako idemo sljedećom iteracijom prema popravci. … Bio je to vrlo uspješan test.“
Završni test, koji je završio topljenjem jednog kuta jedne od 16 palačinki, producirao je bogatu novu informaciju, kaže Hartwig. S jednim činjenicom, koristili su nekoliko različitih računalnih modela za dizajniranje i predviđanje performansi različitih aspekata performanse magneta, i uglavnom su se modeli složili u svojim cjelokupnim predviđanjima i bili su dobro potvrđeni serijom testova i mjerenja u stvarnosti. Međutim, u predviđanju efekta ispuha, predviđanja modela su se razlikovala, pa je bilo nužno dobiti eksperimentalna podatka kako bi se procijenila valjanost modela.
„Najviši modeli fideličnosti koji smo imali skoro točno su predvidjeli kako bi se magneta zagrijala, do kojeg stepena će se zagrijati tijekom početka iscrpljenja, i gdje će biti rezultirajući štetni učinak magnetu“, kaže on. Kao što je detaljno opisano u jednom od novih izvješća, „Taj test zapravo nam je rekao točno fiziku koja se događa, i rekao nam je koji su modeli korisni idući naprijed, a koje ostaviti uz cestu jer nisu točni.“
Whyte kaže: „Osnovno smo magnetičkom spirali uradili najgoru moguću stvar na purpose nakon što smo testirali sve druge aspekte performanse spirale. I otkrili smo da većina spirale preživi bez štete“, dok je jedan izoliran područje utrpalo neku rasjedbu. „To je kao nekoliko posto zapremine spirale što je oštećeno.“ I to je vodilo do izmjena u dizajnu koje se očekuje da spreče takvu štetu u stvarnim magnetskim uređajima za fuziju, čak i u najekstremnijim uvjetima.
Hartwig podčiњava da je glavni razlog što je tim uspio ostvariti tako radikalnu, novu, rekordsku konstrukciju magnetskog sustava i pravilno ju izvesti prvi put te po zgodnom grafikonu bio zahvaljujući dubokom nivou znanja, stručnosti i opreme koju se nagomilalo tijekom decenija rada Alcator C-Mod tokamaka, Francis Bitter Magnet Laboratoryja i drugih istraživanja provedenih na PSFC-u. „Ovo ide u srce institucionalnih mogućnosti mjesto kao što je ovo“, kaže on. „Imali smo mogućnost, infrastrukturu, prostor i ljude da ove stvari obavimo pod jednim krovom.“
Saradnja s CFS je također bila ključna, kaže on, sa MIT-om i CFS-om koji su kombinirali najmoćnije aspekte akademske institucije i privatne tvrtke kako bi zajedno radili na stvarima koje nijedna od njih nije mogla učiniti sama. „Na primjer, jedan od glavnih doprinosa CFS-a bio je iskorištenje moći privatne tvrtke za uspostavu i skaliranje lanca snabdevanja na neverovatnom razini i vremenskom okviru za najkritičniji materijal u projektu: 300 kilometara (186 milja) visokotemperaturnog superprovodnika, koji je bio nabavljen uz strogo kvalitetno kontroliranje u manje od godine, te integriran po rasporedu u magnete.”
Integracija ovih dvije ekipa, one iz MIT-a i one iz CFS-a, također je bila ključna za uspjeh, kaže on. „Misli smo na sebe kao na jednu ekipu, a to je omogućilo da uradimo ono što smo uradili.”
