Pada jam sebelum fajar tanggal 5 September 2021, para insinyur mencapai tonggak penting di laboratorium MIT's Plasma Science and Fusion Center (PSFC), ketika jenis magnet baru, yang terbuat dari bahan superkonduktor suhu tinggi, mencapai kekuatan medan magnet rekor dunia sebesar 20 tesla untuk magnet berskala besar. Itu intensitas yang dibutuhkan untuk membangun pembangkit listrik fusi yang diharapkan menghasilkan output listrik bersih dan berpotensi membuka era produksi listrik yang hampir tidak terbatas.
Uji coba itu segera dinyatakan sukses, setelah memenuhi semua kriteria yang ditetapkan untuk desain perangkat fusi baru, yang dijuluki SPARC, yang magnet adalah teknologi pemberi kunci. Klep sampanye meledak saat tim percobaan yang lelah, yang telah bekerja keras dan lama untuk membuat pencapaian ini mungkin, merayakan pencapaian mereka.
Tapi itu jauh dari akhir proses. Selama beberapa bulan berikutnya, tim merobek dan memeriksa komponen magnet, meneliti dan menganalisis data dari ratusan instrumen yang mencatat rincian tes, dan melakukan dua uji coba tambahan pada magnet yang sama, akhirnya mendorongnya ke titik pecahnya untuk mempelajari rincian kemungkinan mode kegagalan.
Semua pekerjaan ini kini telah memuncak dalam laporan rinci oleh para peneliti di PSFC dan MIT perusahaan spinout Commonwealth Fusion Systems (CFS), diterbitkan dalam koleksi enam makalah peer-reviewed dalam edisi khusus dari edisi MaretIEEE Transaksi pada Superkonduktivitas TerapanAku tidak tahu. Bersama-sama, makalah-makalah tersebut menjelaskan desain dan pembuatan magnet dan peralatan diagnostik yang dibutuhkan untuk mengevaluasi kinerjanya, serta pelajaran yang diperoleh dari prosesnya. Secara keseluruhan, tim menemukan, prediksi dan pemodelan komputer tepat, memverifikasi bahwa elemen desain unik magnet dapat berfungsi sebagai dasar untuk pembangkit listrik fusi.
Membuat tenaga fusi praktis
Tes magnet yang berhasil, kata Profesor Teknik Hitachi America Dennis Whyte, yang baru-baru ini mengundurkan diri sebagai direktur PSFC, adalah "hal yang paling penting, menurut saya, dalam 30 tahun terakhir penelitian fusi".
Sebelum demonstrasi 5 September, magnet superkonduktor terbaik yang tersedia cukup kuat untuk berpotensi mencapai energi fusi tetapi hanya pada ukuran dan biaya yang tidak pernah bisa praktis atau ekonomis layak. Kemudian, ketika uji coba menunjukkan kepraktisan magnet yang kuat dengan ukuran yang sangat berkurang, selama semalam, pada dasarnya mengubah biaya per watt reaktor fusi dengan faktor hampir 40 dalam satu hari, kata Whyte.
Sekarang fusi memiliki kesempatan, Whyte menambahkan. Tokamaks, desain yang paling banyak digunakan untuk perangkat fusi eksperimental, berada kesempatan, menurut saya, untuk menjadi ekonomis karena Anda mendapatkan perubahan kuantum dalam kemampuan Anda, dengan aturan fisika pengekang yang diketahui, tentang mampu sangat mengurangi ukuran dan biaya benda yang akan memungkinkan fusi.
Data dan analisis yang komprehensif dari tes magnet PSFC, seperti yang dijelaskan dalam enam makalah baru, telah menunjukkan bahwa rencana untuk perangkat fusi generasi baru yang dirancang oleh MIT dan CFS, serta desain serupa oleh perusahaan fusi komersial lainnya dibangun di atas dasar ilmiah yang kuat.
Terobosan superkonduktor
Fusi, proses menggabungkan atom ringan untuk membentuk atom yang lebih berat, memberi energi kepada matahari dan bintang, tetapi memanfaatkan proses itu di Bumi telah terbukti menjadi tantangan yang menakutkan, dengan puluhan tahun kerja keras dan banyak miliaran dolar yang dihabiskan untuk perangkat eksperimental. Tujuan yang lama dicari, tetapi belum pernah tercapai, adalah membangun pembangkit listrik fusi yang menghasilkan lebih banyak energi daripada yang dikonsumsi. Pembangkit listrik semacam itu dapat menghasilkan listrik tanpa mengeluarkan gas rumah kaca selama operasi, dan menghasilkan limbah radioaktif yang sangat sedikit. Bahan bakar fusi, bentuk hidrogen yang dapat diperoleh dari air laut, hampir tidak terbatas.
Tetapi untuk membuatnya bekerja, bahan bakar harus dikompresi pada suhu dan tekanan yang sangat tinggi, dan karena tidak ada bahan yang diketahui bisa menahan suhu seperti itu, bahan bakar harus ditahan di tempatnya oleh medan magnet yang sangat kuat. Untuk menghasilkan medan yang kuat seperti itu membutuhkan magnet superkonduktor, tetapi semua magnet fusi sebelumnya telah dibuat dengan bahan superkonduktor yang membutuhkan suhu dingin sekitar 4 derajat di atas nol absolut (4 kelvin, atau -270 derajat Celcius). Dalam beberapa tahun terakhir, bahan baru yang dijuluki REBCO, untuk barium rare earth copper oxide, ditambahkan ke magnet fusi, dan memungkinkan mereka untuk beroperasi pada suhu 20 kelvin, suhu yang meskipun hanya 16 kelvin lebih hangat, membawa keuntungan yang signifikan dalam hal sifat material dan teknik praktis.
Untuk memanfaatkan bahan superkonduktor suhu tinggi ini, tidak hanya perlu menggantikannya dengan magnet yang sudah ada. Sebaliknya, itu adalah pengerjaan ulang dari dasar hampir semua prinsip yang Anda gunakan untuk membangun magnet superkonduktor, kata Whyte. Bahan REBCO baru sangat berbeda dari generasi sebelumnya superkonduktor. Anda tidak hanya akan beradaptasi dan mengganti, Anda sebenarnya akan berinovasi dari bawah ke atas. Kertas baru diTransaksi tentang Superkonduktivitas Terapanmenjelaskan rincian proses desain ulang, sekarang perlindungan paten telah ada.
Inovasi utama: tidak ada isolasi
Salah satu inovasi dramatis, yang membuat banyak orang di lapangan skeptis terhadap peluang kesuksesannya, adalah penghapusan isolasi di sekitar pita superkonduktor tipis dan datar yang membentuk magnet. Seperti hampir semua kabel listrik, magnet superkonduktor konvensional dilindungi sepenuhnya oleh bahan isolasi untuk mencegah sirkuit pendek antara kabel. Tetapi pada magnet baru, pita itu dibiarkan benar-benar telanjang; para insinyur mengandalkan konduktivitas REBCO yang jauh lebih besar untuk menjaga arus mengalir melalui bahan.
"Ketika kami memulai proyek ini, katakanlah pada tahun 2018, teknologi menggunakan superkonduktor suhu tinggi untuk membangun magnet medan tinggi berskala besar masih dalam tahap awal", kata Zach Hartwig, Profesor Pengembangan Karir Robert N. Noyce di Departemen Ilmu dan Teknik Nuklir. Hartwig memiliki co-penunjukan di PSFC dan adalah kepala kelompok teknik, yang memimpin proyek pengembangan magnet. Keadaan seni adalah eksperimen kecil di atas bangku, tidak benar-benar mewakili apa yang dibutuhkan untuk membangun sesuatu yang berukuran penuh. Proyek pengembangan magnet kami dimulai pada skala benchtop dan berakhir pada skala penuh dalam waktu singkat", tambahnya, mencatat bahwa tim membangun magnet seberat 20.000 pon yang menghasilkan medan magnet yang stabil dan merata hanya lebih dari 20 tesla jauh di luar medan seperti yang pernah diproduksi dalam skala besar.
Cara standar untuk membuat magnet ini adalah Anda akan memutar konduktor dan Anda memiliki isolasi antara gulungan, dan Anda membutuhkan isolasi untuk menangani tegangan tinggi yang dihasilkan selama kejadian luar biasa seperti shutdown. Menghilangkan lapisan isolasi, katanya, memiliki keuntungan sebagai sistem tegangan rendah. Hal ini sangat menyederhanakan proses pembuatan dan jadwal. Ini juga memberikan lebih banyak ruang untuk elemen lain, seperti lebih banyak pendinginan atau lebih banyak struktur untuk kekuatan.
Magnet ini adalah versi skala yang sedikit lebih kecil dari yang akan membentuk ruang berbentuk donat dari perangkat fusi SPARC yang sekarang dibangun oleh CFS di Devens, Massachusetts. Ini terdiri dari 16 piring, yang disebut pancake, masing-masing membawa spiral penggulung pita superkonduktor di satu sisi dan saluran pendingin untuk gas helium di sisi lain.
Tapi desain tanpa isolasi dianggap berisiko, dan banyak tergantung pada program uji coba. Ini adalah magnet pertama dalam skala yang cukup yang benar-benar menyelidiki apa yang terlibat dalam merancang, membangun dan menguji magnet dengan apa yang disebut teknologi tanpa isolasi tanpa tikungan", kata Hartwig. Sangat mengejutkan masyarakat ketika kami mengumumkan bahwa itu adalah kumparan tanpa isolasi.
Menekan ke batas... dan di luar
Uji coba awal, yang dijelaskan dalam makalah sebelumnya, membuktikan bahwa proses desain dan pembuatan tidak hanya berhasil tetapi juga sangat stabil - sesuatu yang telah diragukan oleh beberapa peneliti. Dua uji coba berikutnya, juga dilakukan pada akhir 2021, kemudian mendorong perangkat ke batas dengan sengaja menciptakan kondisi tidak stabil, termasuk pemutusan penuh daya masuk yang dapat menyebabkan pemanasan yang bencana. Hal ini dikenal sebagai pemadam, dan dianggap sebagai skenario terburuk untuk operasi magnet tersebut, dengan potensi menghancurkan peralatan.
Bagian dari misi dari program uji coba, kata Hartwig, adalah untuk benar-benar menyala dan sengaja memadamkan magnet skala penuh, sehingga kita bisa mendapatkan data penting pada skala yang tepat dan kondisi yang tepat untuk memajukan sains, untuk memvalidasi kode desain, dan kemudian membongkar magnet dan melihat apa yang salah, mengapa itu salah, dan bagaimana kita mengambil iterasi berikutnya
Tes terakhir itu, yang berakhir dengan melelehkan satu sudut dari salah satu dari 16 pancake, menghasilkan banyak informasi baru, kata Hartwig. Pertama, mereka telah menggunakan beberapa model komputasi yang berbeda untuk merancang dan memprediksi kinerja berbagai aspek kinerja magnet, dan sebagian besar, model setuju dalam prediksi keseluruhan mereka dan divalidasi dengan baik oleh serangkaian tes dan pengukuran dunia nyata. Tetapi dalam memprediksi efek dari pemadam, prediksi model berbeda, sehingga perlu untuk mendapatkan data eksperimental untuk mengevaluasi validitas model.
Model-model yang paling akurat yang kami prediksi hampir persis bagaimana magnet akan memanas, seberapa panasnya akan memanas saat mulai padam, dan di mana kerusakan yang dihasilkan pada magnet akan terjadi, katanya. Seperti yang dijelaskan secara rinci dalam salah satu laporan baru, Tes itu sebenarnya memberi tahu kita persis fisika yang terjadi, dan itu memberi tahu kita model mana yang berguna ke depan dan mana yang harus ditinggalkan karena mereka tidak benar.
Whyte berkata, "Pada dasarnya kami melakukan hal terburuk yang mungkin untuk sebuah kumparan, dengan sengaja, setelah kami menguji semua aspek lain dari kinerja kumparan. Dan kami menemukan bahwa sebagian besar kumparan bertahan tanpa kerusakan, sementara satu area terisolasi mengalami beberapa peleburan. Itu seperti beberapa persen dari volume kumparan yang rusak. Dan itu menyebabkan revisi dalam desain yang diharapkan mencegah kerusakan seperti itu pada magnet perangkat fusi yang sebenarnya, bahkan di bawah kondisi yang paling ekstrim.
Hartwig menekankan bahwa alasan utama tim mampu mencapai desain magnet yang baru yang seting rekor, dan mendapatkannya dengan benar pada pertama kalinya dan pada jadwal yang mematikan, adalah berkat tingkat pengetahuan yang mendalam, keahlian, dan peralatan yang terkumpul selama beberapa dekade operasi tokamak Alcator C-Mod, Francis Bitter Magnet Laboratory, dan pekerjaan lain yang dilakukan di PSFC. "Ini adalah inti dari kemampuan institusional tempat seperti ini", katanya. Kami memiliki kemampuan, infrastruktur, dan ruang dan orang-orang untuk melakukan hal-hal ini di bawah satu atap.
Kolaborasi dengan CFS juga penting, katanya, dengan MIT dan CFS menggabungkan aspek yang paling kuat dari lembaga akademik dan perusahaan swasta untuk melakukan hal-hal bersama yang tidak bisa dilakukan sendiri. Misalnya, salah satu kontribusi utama dari CFS adalah memanfaatkan kekuatan sebuah perusahaan swasta untuk membangun dan meningkatkan rantai pasokan pada tingkat dan jadwal yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk bahan yang paling penting dalam proyek: 300 kilometer (186 mil) superkonduktor suhu tinggi, yang dibeli dengan kontrol kualitas yang ketat dalam waktu kurang dari setahun, dan terintegrasi sesuai jadwal ke dalam magnet.
Integrasi kedua tim, dari MIT dan dari CFS, juga penting untuk keberhasilan, katanya. Kami menganggap diri kami sebagai satu tim, dan itu memungkinkan kami melakukan apa yang kami lakukan.
