2021. szeptember 5-én, hajnalban, a mérnökök jelentős mérföldkövet értek el a MIT Plazma Tudományi és Fúziós Központjának (PSFC) laboratóriumaiban, amikor egy új típusú mágnes, amely magas hőmérsékletű szupervezető anyagból készült, világcsúcs mágneses térerősséget ért el, 20 tesla egy nagyméretű mágnes esetében. Ez az intenzitás szükséges egy fúziós erőmű felépítéséhez, amely várhatóan nettó teljesítményt termel, és potenciálisan egy szinte korlátlan energia termelésének korszakát hozhatja el.
A tesztet azonnal sikeresnek nyilvánították, mivel megfelelt az új fúziós eszköz, az SPARC tervezésére vonatkozó összes kritériumnak, amelynek kulcsfontosságú technológiája a mágnesek. Pezsgő dugók pattantak, miközben a fáradt kísérleti csapat, amely hosszú és kemény munkával tette lehetővé az eredményt, ünnepelte a teljesítményét.
De ez messze nem volt a folyamat vége. Az ezt követő hónapokban a csapat szétszedte és megvizsgálta a mágnes alkatrészeit, átnézte és elemezte a teszteket rögzítő, több száz műszer adatait, és két további tesztfutást végzett ugyanazon a mágnesen, végül a törési pontjára nyomva, hogy megtudja a lehetséges hibamódok részleteit.
Ez az összes munka most egy részletes jelentésbe összefutott, amelyet a PSFC és az MIT spin-off cégje, a Commonwealth Fusion Systems (CFS) kutatói közölték, hat társulkott tanulmányban, amelyek megjelentek a márciusi szám speciális kiadásábanIEEE Transactions on Applied Superconductivity. A cikkek együtt leírják a mágnes és a teljesítményének értékeléséhez szükséges diagnosztikai berendezés tervezését és gyártását, valamint a folyamat során szerzett tapasztalatokat. Összességében a csapat megállapította, hogy a jóslatok és a számítógépes modellezés pontosak voltak, megerősítve, hogy a mágnes egyedi tervezési elemei alapként szolgálhatnak egy fúziós erőmű számára.
Gyakorlati fúziós energia lehetővé tétele
A mágnes sikeres tesztje, mondja Dennis Whyte, a Hitachi America Mérnöki Tanszék professzora, aki nemrégiben lemondott a PSFC igazgatói posztjáról, „a legfontosabb dolog, véleményem szerint, az utolsó 30 év fúziós kutatásában.”
A szeptember 5-i demonstráció előtt a legjobb elérhető szupervezető mágnesek elég erősek voltak ahhoz, hogy potenciálisan elérjék a fúziós energiát - de csak olyan méretekben és költségekkel, amelyek soha nem lehettek praktikusak vagy gazdaságilag életképesek. Aztán, amikor a tesztek megmutatták egy ilyen erős mágnes gyakran csökkentett méretű praktikusságát, „egy éjszaka alatt gyakorlatilag megváltoztatta a fúziós reaktor wattankénti költségét közel 40-szeresére egy nap alatt” - mondja Whyte.
„Most a fúziónak van esélye” - teszi hozzá Whyte. A tokamakok, a kísérleti fúziós eszközök legszélesebb körben használt terve, „szerintem esélye van arra, hogy gazdaságos legyen, mert kvantumváltozás történt a képességedben, a jól ismert zárási fizikai szabályokkal, hogy jelentősen csökkentsd azokat a méreteket és költségeket, amelyek lehetővé tennék a fúziót.”
A PSFC mágneses tesztjéből származó átfogó adatok és elemzések, amelyeket a hat új tanulmány részletez, bizonyították, hogy az új generációs fúziós eszközök tervei - amelyeket az MIT és a CFS tervezett, valamint más kereskedelmi fúziós cégek hasonló tervei - szilárd tudományos alapokra épülnek.
A szupravezető áttörés
A fúzió, a könnyű atomok egyesítésének folyamata nehezebb atomokká, táplálja a napot és a csillagokat, de ennek a folyamatnak a Földön való kihasználása óriási kihívásnak bizonyult, évtizedek kemény munkájával és sok milliárd dollárral költve kísérleti eszközökre. A régóta keresett, de még soha el nem ért cél az, hogy olyan fúziós erőművet építsenek, amely több energiát termel, mint amennyit fogyaszt. Ilyen erőmű képes lenne elektromosságot termelni anélkül, hogy üvegházhatású gázokat bocsátana ki működés közben, és nagyon kevés radioaktív hulladékot generálna. A fúzió üzemanyaga, egy olyan hidrogénforma, amely a tengervízből nyerhető, gyakorlatilag korlátlan.
De ahhoz, hogy működjön, a tüzelőanyagot rendkívül magas hőmérsékleten és nyomáson kell összenyomni, és mivel egyetlen ismert anyag sem bírja el ezeket a hőmérsékleteket, a tüzelőanyagot rendkívül erős mágneses mezőknek kell a helyén tartaniuk. Az ilyen erős mezők előállítása szupervezető mágneseket igényel, de az összes korábbi fúziós mágnes szupervezető anyagból készült, amely körülbelül 4 fokkal a nulla abszolút fölött (4 kelvin, vagy -270 Celsius-fok) fagyos hőmérsékletet igényel. Az utolsó néhány évben egy újabb anyagot, amelyet REBCO-nak neveztek el, a ritkaföldfém bárium réz-oxid rövidítéseként, hozzáadtak a fúziós mágnesekhez, és lehetővé teszi számukra, hogy 20 kelvinen működjenek, ami, bár csak 16 kelvinnel melegebb, jelentős előnyöket hoz az anyagi tulajdonságok és a gyakorlati mérnöki szempontok tekintetében.
Azt a új magasabb hőmérsékletű szuperhajlító anyag használatának kihasználása nem volt egyszerűen annyi, hogy behelyettesítjük az aktuális mágnusztervben. Ellenkezőleg, „majdnem minden elvet újra kellett dolgoznunk át, amit használsz a szuperhajlító mágnusok építéséhez,” mondja Whyte. Az új REBCO anyag „kivételesen eltérő az előző generáció szuperhajlítóktól. Nem csak alkalmazni fogsz és helyettesítesz, hanem valójában alapjától kezdve innoválni fogsz.” A(z)Transactions on Applied Superconductivityúj tanulmányok részletezik azt az új tervezési folyamatot, most, hogy a szabadalomi védelem létrejött.
Egy kulcsfontosságú innováció: nincs szigetelés
Az egyik drámai újítás, amely sok más szakembert kételkedésre késztetett a sikeres megvalósításának esélyeivel kapcsolatban, a szigetelés eltávolítása volt a vékony, lapos szupervezető szalagok körül, amelyek a mágnes alkotóelemei voltak. Mint szinte minden elektromos vezeték, a hagyományos szupervezető mágnesek teljes mértékben védettek szigetelő anyaggal, hogy megakadályozzák a rövidzárlatokat a vezetékek között. De az új mágnes esetében a szalagot teljesen csupaszon hagyták; a mérnökök a REBCO sokkal nagyobb vezetőképességére támaszkodtak, hogy a áram folyamatosan áramoljon az anyagon keresztül.
“Amikor elkezdtük ezt a projektet, mondjuk 2018-ban, a nagy hőmérsékletű szupervezetők használatának technológiája nagy teljesítményű mágnesek építésére még gyerekcipőben járt,” mondja Zach Hartwig, a Nukleáris Tudomány és Mérnöki Tanszék Robert N. Noyce Karrierfejlesztési Professzora. Hartwignet a PSFC-nél is kinevezték, és ő vezeti a mérnöki csoportot, amely a mágnesfejlesztési projektet irányította. “A legmodernebb technológia kis asztali kísérletek voltak, amelyek nem igazán tükrözték, hogy mi szükséges egy teljes méretű dolog megépítéséhez. A mágnesfejlesztési projektünk asztali méretben indult, és rövid időn belül teljes méretben végződött,” teszi hozzá, megjegyezve, hogy a csapat épített egy 20,000 fontos mágneset, amely egyenletes, stabil mágneses teret produkált, éppen 20 tesla felett — messze meghaladva bármilyen ilyen teret, amit valaha nagy méretben előállítottak.
„A mágnesek standard módja az, hogy a vezetőt feltekerjük, és szigetelés van a tekercsek között, és szükség van szigetelésre a magas feszültségek kezelésére, amelyek a normálistól eltérő események, például leállás során keletkeznek.” A szigetelőrétegek eltávolítása, mondja, „az alacsony feszültségű rendszer előnyével jár. Nagymértékben egyszerűsíti a gyártási folyamatokat és ütemtervet.” Emellett több helyet is hagy más elemek számára, például több hűtésre vagy több szerkezetre az erősség érdekében.
A mágnesegység egy kissé kisebb méretű változata azoknak, amelyek a SPARC fúziós eszköz donut alakú kamráját alkotják, amelyet jelenleg a CFS épít Devensben, Massachusetts államban. 16 lemezből áll, amelyeket palacsintáknak neveznek, mindegyik egy spirális tekercselést hordoz a szupervezető szalagon az egyik oldalon, és hűtőcsatornákat a héliumgáz számára a másikon.
De a szigetelés nélküli tervezést kockázatosnak tartották, és sok múlott a tesztprogramon. “Ez volt az első mágnes bármilyen elegendő méretben, amely valóban feltérképezte, mi szükséges egy ilyen úgynevezett szigetelés nélküli, nem csavarodó technológiával rendelkező mágnes tervezéséhez, építéséhez és teszteléséhez,” mondja Hartwig. “Nagyon meglepte a közösséget, amikor bejelentettük, hogy ez egy szigetelés nélküli tekercs.”
A határig … és azon túl
Az első teszt, amelyet korábbi cikkekben írtak le, bizonyította, hogy a tervezési és gyártási folyamat nemcsak működött, hanem rendkívül stabil is volt — amit néhány kutató megkérdőjelezett. A következő két tesztfutás, amelyet szintén 2021 végén végeztek, a készüléket a határig tolta, szándékosan instabil körülményeket teremtve, beleértve a bejövő áram teljes leállítását, ami katasztrofális túlmelegedéshez vezethet. Ezt hívják eloltásnak, és ez a legrosszabb forgatókönyvnek számít az ilyen mágnesek működése szempontjából, mivel potenciálisan tönkreteheti a berendezést.
A tesztprogram küldetésének része, mondja Hartwig, az volt, hogy „valójában elmenjünk és szándékosan leállítsunk egy teljes méretű mágneset, hogy megkaphassuk a kritikus adatokat a megfelelő méretben és a megfelelő körülmények között a tudomány előmozdítása érdekében, a tervezési kódok érvényesítése érdekében, majd szétszedjük a mágneset, és megnézzük, mi ment rosszul, miért ment rosszul, és hogyan léphetünk a következő iterációra a javítás érdekében. … Ez egy nagyon sikeres teszt volt.”
Az a végső teszt, amely az egyik 16 palacsinta egyik sarkának megolvadásával zárult, rengeteg új információt hozott, mondja Hartwig. Egyrészt több különböző számítási modellt használtak a mágnes teljesítményének különböző aspektusainak tervezésére és előrejelzésére, és a modellek többsége egyetértett az általános előrejelzéseikben, és jól validálták őket a tesztek sorozata és a valós mérések. De a lehűlés hatásának előrejelzésénél a modell előrejelzések eltértek, így szükség volt a kísérleti adatokra a modellek érvényességének értékeléséhez.
„A legmagasabb hűségű modellek, amelyeket előre jeleztünk, szinte pontosan megmondták, hogyan fog felmelegedni a mágnes, milyen mértékben fog felmelegedni, amikor elkezdett lehűlni, és hol lesz a mágnesen a keletkező kár,” mondja. Ahogy az egyik új jelentésben részletesen le van írva, „Ez a teszt valójában pontosan megmondta nekünk, hogy mi zajlik a fizikában, és megmondta, hogy mely modellek hasznosak a jövőre nézve, és melyeket kell félretenni, mert nem helyesek.”
Whyte azt mondja: „Alapvetően a legrosszabbat tettük egy tekercsel, szándékosan, miután minden más aspektusát teszteltük a tekercs teljesítményének. És azt találtuk, hogy a tekercs többsége sérülés nélkül túlélte,” míg egy elszigetelt területen némi olvadás történt. „Ez a tekercs térfogatának néhány százaléka, ami megsérült.” És ez a tervezési módosításokhoz vezetett, amelyek várhatóan megakadályozzák az ilyen károkat a tényleges fúziós eszközök mágnesében, még a legextrémebb körülmények között is.
Hartwig hangsúlyozza, hogy a csapat képes volt egy ilyen radikális új rekordot döntő mágneses tervezés megvalósítására, és azt az első alkalommal, egy őrült ütemterv szerint helyesen végrehajtani, köszönhetően a mély szintű tudásnak, szakértelemnek és a több évtizedes működés során felhalmozott berendezéseknek az Alcator C-Mod tokamak, a Francis Bitter Mágneslaboratórium és a PSFC-n végzett egyéb munkák révén. “Ez a hely intézményi képességeinek szívéhez érkezik,” mondja. “Megvolt a képességünk, az infrastruktúránk, a helyünk és az embereink, hogy ezeket a dolgokat egy fedél alatt végezzük.”
A CFS-szel való együttműködés szintén kulcsfontosságú volt, mondja, mivel az MIT és a CFS ötvözte az akadémiai intézmény és a magánvállalat legfontosabb aspektusait, hogy együtt tegyenek olyan dolgokat, amelyeket egyedül egyikük sem tudott volna megtenni. „Például a CFS egyik legfontosabb hozzájárulása az volt, hogy kihasználta egy magánvállalat erejét, hogy egy ellátási láncot létrehozzon és méretezzen fel egy példa nélküli szinten és időkereten belül a projekt legkritikusabb anyagához: 300 kilométer (186 mérföld) magas hőmérsékletű szupervezető, amelyet szigorú minőségellenőrzés mellett kevesebb mint egy év alatt szereztek be, és a tervek szerint integrálták a mágnesbe.”
A két csapat, az MIT és a CFS csapatainak integrációja szintén kulcsfontosságú volt a sikerhez, mondja. „Úgy gondoltunk magunkra, mint egy csapatra, és ez lehetővé tette, hogy azt tegyük, amit tettünk.”
