Nelle ore notturne del 5 settembre 2021, gli ingegneri hanno raggiunto un importante traguardo nei laboratori del Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT, quando un nuovo tipo di magnete, realizzato con materiale superconduttore a alta temperatura, ha raggiunto una intensità record di campo magnetico di 20 tesla per un magnete su larga scala. È l'intensità necessaria per costruire una centrale di fusione in grado di produrre un output netto di energia e potenzialmente inaugurare un'era di produzione di energia virtualmente illimitata.
Il test venne immediatamente dichiarato un successo, avendo soddisfatto tutti i criteri stabiliti per il progetto del nuovo dispositivo di fusione, denominato SPARC, per il quale i magneti sono la tecnologia chiave abilitante. I tappi di champagne saltarono mentre la stanca squadra di sperimentatori, che aveva lavorato duramente per rendere possibile l'impresa, celebrava il proprio successo.
Ma quello era lontano dall'essere la fine del processo. Negli mesi successivi, la squadra smontò e ispezionò i componenti del magnete, esaminò e analizzò i dati registrati da centinaia di strumenti che avevano documentato i dettagli dei test, e condusse due ulteriori cicli di test sullo stesso magnete, spingendolo infine al punto di rottura per imparare i dettagli di eventuali modalità di fallimento.
Tutto questo lavoro è ora culminato in un rapporto dettagliato da parte di ricercatori del PSFC e della società MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS), pubblicato in una raccolta di sei articoli peer-reviewed in un'edizione speciale del numero di marzo del IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Insieme, i documenti descrivono il progetto e la fabbricazione del magnete e dell'attrezzatura diagnostica necessaria per valutarne le prestazioni, nonché le lezioni apprese dal processo. In generale, il team ha scoperto che le previsioni e la modellizzazione al computer erano perfette, verificando che gli elementi di design unici del magnete potessero costituire la base per una centrale a fusione.
Consentire l'energia a fusione pratica
Il test coronato da successo del magnete, dice il professore di Ingegneria di Hitachi America Dennis Whyte, che ha recentemente lasciato il ruolo di direttore del PSFC, è stato "la cosa più importante, a mio parere, negli ultimi 30 anni di ricerca sulla fusione".
Prima della dimostrazione del 5 settembre, i migliori magneti superconduttori disponibili erano abbastanza potenti da potenzialmente raggiungere l'energia di fusione - ma solo a dimensioni e costi che non sarebbero mai stati pratici o economicamente convenienti. Poi, quando i test hanno dimostrato la praticità di un magnete così forte in una dimensione molto ridotta, 'in un giorno è cambiato drasticamente il costo per watt di un reattore a fusione, con un fattore di quasi 40 in un giorno', dice Whyte.
‘Ora la fusione ha una possibilità’, aggiunge Whyte. I tokamak, il progetto più diffuso per dispositivi sperimentali di fusione, ‘hanno, secondo me, una possibilità di essere economici perché hai un cambiamento quantistico nella tua capacità, con le regole note della fisica di confinamento, circa la possibilità di ridurre notevolmente le dimensioni e i costi degli oggetti che renderebbero possibile la fusione’.
I dati e l'analisi completi provenienti dal test del magnete del PSFC, come dettagliati nei sei nuovi articoli, hanno dimostrato che i piani per una nuova generazione di dispositivi di fusione - quello progettato da MIT e CFS, nonché progetti simili di altre aziende commerciali di fusione - sono basati su un solido fondamento scientifico.
L'innovazione superconduttrice
La fusione, il processo di combinazione di atomi leggeri per formarne di più pesanti, alimenta il sole e le stelle, ma sfruttare tale processo sulla Terra si è rivelato una sfida ardua, con decenni di duro lavoro e molti miliardi di dollari spesi in dispositivi sperimentali. L'obiettivo tanto atteso, ma mai ancora raggiunto, è costruire una centrale di fusione che produca più energia di quella consumata. Una tale centrale potrebbe produrre elettricità senza emettere gas a effetto serra durante l'operazione e generando pochissimo rifiuto radioattivo. Il combustibile per la fusione, una forma di idrogeno che può essere derivata dall'acqua di mare, è virtualmente illimitato.
Tuttavia, per farlo funzionare richiede la compressione del combustibile a temperature e pressioni straordinariamente alte, e poiché nessun materiale noto può resistere a tali temperature, il combustibile deve essere mantenuto al suo posto da campi magnetici estremamente potenti. La produzione di campi così forti richiede magneti superconduttori, ma tutti i magneti precedenti per la fusione sono stati realizzati con un materiale superconduttore che richiede temperature gelide di circa 4 gradi sopra lo zero assoluto (4 kelvin, o -270 gradi Celsius). Negli ultimi anni, un nuovo materiale soprannominato REBCO, per ossido di rame barico a terra rara, è stato aggiunto ai magneti per la fusione, e permette loro di operare a 20 kelvin, una temperatura che, nonostante sia solo 16 kelvin più calda, porta vantaggi significativi in termini di proprietà dei materiali e ingegneria pratica.
Sfruttare questo nuovo materiale superconduttore a temperature più elevate non era solo una questione di sostituirlo nei progetti di magneti esistenti. Invece, è stato un rielaborato da zero di quasi tutti i principi che si usano per costruire magneti superconduttori, dice Whyte. Il nuovo materiale REBCO è estremamente diverso dalla precedente generazione di superconduttori. Non si sta semplicemente adattando e sostituendo, si sta effettivamente innovando da zero. I nuovi giornali in Transazioni sull'Applicazione della Superconduttività descrivere i dettagli di tale processo di riprogettazione, ora che la protezione brevettuale è in vigore.
Un'innovazione chiave: nessuna isolazione
Uno delle innovazioni drammatiche, che ha fatto insorgere molti dubbi nel campo sulle sue possibilità di successo, è stata l'eliminazione dell'isolamento intorno alle sottili strisce piatte di nastro superconduttore che formavano il magnete. Come quasi tutti i fili elettrici, i magneti superconduttori convenzionali sono completamente protetti da materiale isolante per prevenire cortocircuiti tra i fili. Ma nel nuovo magnete, il nastro è stato lasciato completamente scoperto; gli ingegneri hanno fatto affidamento sulla molto maggiore conducibilità del REBCO per mantenere la corrente in circolazione all'interno del materiale.
“Quando abbiamo iniziato questo progetto, diciamo nel 2018, la tecnologia dell'uso di superconduttori ad alta temperatura per costruire magneti a campo elevato su larga scala era ancora agli inizi,” dice Zach Hartwig, il Robert N. Noyce Career Development Professor nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria Nucleare. Hartwig ha una posizione congiunta al PSFC ed è il responsabile del suo gruppo di ingegneria, che ha diretto il progetto di sviluppo dei magneti. “Lo stato dell'arte erano esperimenti di piccole dimensioni sul banco di prova, non realmente rappresentativi di ciò che ci vuole per costruire una cosa a dimensione piena. Il nostro progetto di sviluppo dei magneti è partito dalla scala del banco di prova e si è concluso a scala piena in un breve lasso di tempo,” aggiunge, sottolineando che il team ha costruito un magnete da 20.000 libbre che ha prodotto un campo magnetico costante e uniforme di poco più di 20 tesla — molto al di là di qualsiasi tale campo mai prodotto su larga scala.
“Il modo standard per costruire questi magneti è avvolgere il conduttore e avere un'isolazione tra le bobine, e hai bisogno di isolamento per gestire le alte tensioni generate durante eventi anomali come uno spegnimento.” Eliminare i strati di isolamento, dice, “ha il vantaggio di essere un sistema a bassa tensione. Semplifica notevolmente i processi di fabbricazione e la pianificazione.” Lascia inoltre più spazio per altri elementi, come un maggior raffreddamento o una maggiore struttura per la resistenza.
L'assemblaggio del magnete è una versione su scala leggermente più piccola di quelli che formeranno la camera a forma di ciambella dell'impianto di fusione SPARC attualmente in costruzione da CFS a Devens, Massachusetts. Consiste in 16 piastre, chiamate pancake, ciascuna con un'avvolgitura a spirale del nastro superconduttore su un lato e canali di raffreddamento per il gas elio sull'altro.
Tuttavia, il progetto senza isolamento veniva considerato rischioso, e molto dipendeva dal programma di test. 'Questo era il primo magnete a qualsiasi scala sufficiente che realmente esplorava ciò che è coinvolto nel progettare, costruire e testare un magnete con questa cosiddetta tecnologia senza isolamento e senza torsione', dice Hartwig. 'È stata una grande sorpresa per la comunità quando abbiamo annunciato che si trattava di una bobina senza isolamento.'
Spingendo al limite... e oltre
Il test iniziale, descritto in precedenti pubblicazioni, ha dimostrato che il progetto e il processo di produzione non solo funzionavano, ma erano altamente stabili - qualcosa che alcuni ricercatori avevano dubitato. I successivi due cicli di test, eseguiti alla fine del 2021, hanno poi spinto l'apparato al limite creando intenzionalmente condizioni instabili, incluso un completo arresto dell'energia in entrata che può portare a un surriscaldamento catastrofico. Conosciuto come quenching, questo viene considerato uno scenario peggiore per l'operatività di tali magneti, con il potenziale di distruggere l'attrezzatura.
Parte della missione del programma di test, dice Hartwig, era 'andare effettivamente a spegnere un magnete full-scale in modo intenzionale, così da poter ottenere i dati critici alla giusta scala e nelle giuste condizioni per avanzare nella scienza, per validare i codici di progettazione e poi smontare il magnete per vedere cosa è andato storto, perché è andato storto, e come faremo per l'iterazione successiva per risolvere quel problema. ... È stato un test molto riuscito.'
Quell'ultimo test, che si è concluso con il fusione di un angolo di una delle 16 pannocchie, ha prodotto un ricco flusso di nuove informazioni, dice Hartwig. Per una cosa, avevano utilizzato diversi modelli computazionali per progettare e prevedere le prestazioni di vari aspetti della performance del magnete, e per la maggior parte, i modelli concordavano nelle loro previsioni complessive e sono stati bene validati dalla serie di test e misurazioni reali. Ma nel prevedere l'effetto dello scarico, le previsioni dei modelli divergevano, quindi era necessario ottenere i dati sperimentali per valutare la validità dei modelli.
“I modelli con il livello di fedeltà più alto che avevamo previsto quasi esattamente come il magnete si sarebbe riscaldato, fino a che punto si sarebbe riscaldato durante l'inizio del quenching, e dove sarebbero state le conseguenti danneggiature al magnete,” dice. Come descritto in dettaglio in uno dei nuovi rapporti, “Quel test ci ha effettivamente rivelato esattamente la fisica in gioco, e ci ha detto quali modelli fossero utili per il futuro e quali lasciare da parte perché non sono corretti.”
Whyte dice, “In sostanza, abbiamo fatto la cosa peggiore possibile a una bobina, intenzionalmente, dopo aver testato tutti gli altri aspetti della prestazione della bobina. E abbiamo scoperto che la maggior parte della bobina è sopravvissuta senza danni,” mentre un'area isolata ha subito alcuni fenomeni di fusione. “È come se solo poche percentuali del volume della bobina fossero state danneggiate.” E ciò ha portato a revisioni nel design che si prevede possano prevenire tali danni nei magneti dell'effettivo dispositivo di fusione, anche nelle condizioni più estreme.
Hartwig sottolinea che un motivo principale per cui il team è riuscito a realizzare un progetto così radicale di un magnete record, e a farlo correttamente fin dal primo tentativo e su una tabella di marcia serrata, è stato grazie al livello profondo di conoscenza, esperienza ed equipaggiamento accumulato nel corso di decenni di operazioni del tokamak Alcator C-Mod, del Francis Bitter Magnet Laboratory e di altri lavori svolti presso il PSFC. “Questo arriva al cuore delle capacità istituzionali di un luogo come questo,” dice. “Avevamo la capacità, l'infrastruttura, lo spazio e le persone per fare queste cose sotto lo stesso tetto.”
La collaborazione con CFS è stata altrettanto fondamentale, dice lui, con MIT e CFS che combinavano i punti di forza più potenti di un'istituzione accademica e di una società privata per fare insieme cose che nessuno dei due avrebbe potuto fare da solo. "Ad esempio, uno dei contributi principali di CFS è stato sfruttare il potere di una società privata per stabilire e scalare una catena di approvvigionamento a un livello e in un tempo senza precedenti per il materiale più critico del progetto: 300 chilometri (186 miglia) di superconduttore ad alta temperatura, che sono stati procurati con un rigoroso controllo della qualità in meno di un anno ed integrati nei tempi previsti nel magnete."
L'integrazione delle due squadre, quella di MIT e quella di CFS, è stata altresì cruciale per il successo, dice lui. "Ci consideravamo come una sola squadra, e questo ha reso possibile ciò che abbiamo fatto."
