2021 жылдың 5 қыркүйегінің таң алдында инженерлер MIT-тің Плазма ғылым және синтез орталығы (PSFC) зертханаларында маңызды жетістікке жетті. Бұл энергияның таза шығарындысын шығаратын және шексіз энергия өндіру дәуірін бастауы мүмкін синтез электр стансасын салу үшін қажетті қарқындылық.
Сынақ бірден сәтті деп танылды, ол жаңа тербеліс құрылғысын жобалау үшін белгіленген барлық критерийлерді орындады, оны SPARC деп атады, оның магниттер негізгі мүмкіндік беру технологиясы болып табылады. Шампанның қақпақтары жарылып, тәжірибе жүргізушілердің шаршаған тобы өздерінің жетістіктерін атап өтті.
Бірақ бұл процесс әлі аяқталмаған. Келесі айларда команда магниттің компоненттерін бөлшектейді және тексереді, сынақтардың егжей-тегжейін жазған жүздеген аспаптардың деректерін мұқият қарап, талдап, сол магнитте тағы екі сынақ өткізеді.
Вся эта работа теперь завершилась подробным отчётом исследователей из Центра плазменной физики и fusion-систем (PSFC) и дочерней компании МТИ Commonwealth Fusion Systems (CFS), опубликованным в коллекции шести рецензируемых статей в специальном выпуске мартовского номера Қолданылған сверхөткізгіштігі бойынша IEEE мәмілелері . Бұл мақалаларда магниттің құрылысы мен жасалуы, оның жұмысын бағалау үшін қажетті диагностикалық құралдар, сонымен қатар, осы процестен алған сабақтар сипатталады. Жалпы, команда болжаулар мен компьютерлік модельдеулер дәл екенін анықтады, бұл магниттің ерекше дизайн элементтері синтез электр стансасының негізі бола алатынын растады.
Пайдалы тербеліс энергиясын іске қосу
Магниттің сәтті сынағы, дейді Хитачи Америкасының инженерлік профессоры Денис Уайт, ол жақында PSFC директорынан отставкаға шықты, менің ойымша, соңғы 30 жылдағы синтез зерттеулерінің ең маңыздысы болды.
5 қыркүйекте жасалған көрініске дейін, ең жақсы қолда бар суперөткізгіш магниттер синтез энергиясын алу үшін жеткілікті күшті болды, бірақ тек қана нақты немесе экономикалық тұрғыдан тиімді бола алмайтын көлемде және шығындармен. Кейін сынақтар осындай күшті магниттің өте аз көлемде қолданылатынын көрсеткенде, бір түн ішінде, бұл бір күннің ішінде тербелістік реактордың ватт бағасын 40 есеге өзгертті, дейді Уайт.
Қазір тербелістің мүмкіндігі бар, - дейді Уайт. Токамактар, тәжірибелік тербеліс құрылғыларының ең кеңінен қолданылатын дизайны, менің ойымша, экономикалық болу мүмкіндігі бар, өйткені сіздер тербелісті мүмкін ететін нысандардың көлемі мен құнын айтарлықтай азайтуға мүмкіндік беретін белгілі тұйықталу физикасының ережелерімен сіздің қабілетіңізде кванттық өзгеріс бар.
Жаңа алты мақалада егжей-тегжейлі көрсетілген PSFC магнит сынағынан алынған толық деректер мен талдаулар жаңа буын тербеліс құрылғылары MIT және CFS әзірлеген құрылғы, сондай-ақ басқа коммерциялық тербеліс компанияларының ұқсас жобалары ғылыми негізге негізделгенін көрсетті.
Үстем өткізгіштің жаңалықтары
Жеңіл атомдарды біріктіріп, ауыр атомдарды құру процесі күн мен жұлдыздарды қуаттандырады. Алайда Жер бетінде бұл процесті жүзеге асыру қиындық тудырады. Көптен бері күткен, бірақ әлі күнге дейін орындалмаған мақсат - энергияны тұтынудан да көп энергия шығаратын синтез электр стансасын салу. Мұндай электр станциясы жұмыс істеу кезінде парниктік газдар шығарып, радиоактивті қалдықтарды аз шығармай электр энергиясын шығара алады. Теңіз суынан алынатын сутек түрі - синтез отыны - шексіз.
Бірақ оны іске қосу үшін отынды өте жоғары температурада және қысымда қысу қажет, және мұндай температураға қарсы тұра алатын ешқандай материал жоқ болғандықтан, отын өте күшті магнит өрістерімен ұсталуы керек. Мұндай күшті өрістерді өндіру үшін суперөткізгіш магниттер қажет, бірақ барлық бұрынғы тербелістік магниттер абсолюттік нөлден 4 градустан жоғары 4 градус температураны талап ететін суперөткізгіш материалмен жасалған. Соңғы жылдары синтез магниттеріне сирек кездесетін жердің барий мысы оксиді деп аталатын REBCO есімді жаңа материал қосылды. Бұл материалдың қасиеттері мен практикалық техника жағынан маңызды артықшылықтар әкеледі.
Использование этого нового высокотемпературного сверхпроводника не было просто вопросом его замены в существующих конструкциях магнитов. Вместо этого, «это был пересмотр практически всех принципов, которые вы используете для создания сверхпроводящих магнитов», говорит Уайт. Новый материал REBCO «необычайно отличается от предыдущего поколения сверхпроводников. Вы не просто адаптируете и заменяете, вы на самом деле инновируете с нуля». Статьи Қолданылған сверхөткізгіштікті сату описывают детали этого процесса перепроектирования, теперь когда патентная защита установлена.
Негізгі жаңалық: оқшаулау жоқ
Бұл жаңалықтардың бірі, бұл саладағы көптеген адамдар оның табысқа жетуіне күмәнданатын, магнитті құрайтын жұқа, жалпақ таспалардағы оқшаулауды жою болды. Барлық электр сымдары сияқты, кәдімгі сверхпроводный магниттер де сымдардың арасында қысқа тұтасудың алдын алу үшін оқшаулау материалымен толық қорғалады. Бірақ жаңа магнитте таспа мүлдем жалаңаш қалды; инженерлер материал арқылы ток ағынын сақтау үшін REBCO-дың әлдеқайда жоғары өткізгіштігіне сүйенді.
"Біз бұл жобаны бастаған кезде, 2018 жылы, жоғары температуралы сверхпроводкаларды қолдана отырып, үлкен масштабтағы жоғары өрісті магниттер жасау технологиясы жаңадан пайда болды", - дейді ядролық ғылым және инженерлік кафедрасының Роберт Н.Нойс мамандықтарын дамыту профессоры Зак Хартвиг. Хартвиг PSFC-де бірге тағайындалған және магнитті дамыту жобасын басқаратын инженерлік тобының басшысы. Техникалық жағдай үлкен нәрсе жасау үшін не қажет екенін нақты білдірмейтін шағын үстелдік тәжірибе болды. Біздің магнитті әзірлеу жобасы шағын көлемде басталып, қысқа мерзім ішінде толық көлемде аяқталды, - дейді ол. - Команда 20 мың фунттық магнитті жасап, 20 Тесладан астам тұрақты магнит өрісін шығарды.
Бұл магниттерді жасаудың стандартты тәсілі - өткізгішті бұрап, бұраулар арасында оқшаулау бар және сіз сөндіру сияқты қалыпты емес оқиғалар кезінде пайда болатын жоғары кернеулермен күресу үшін оқшаулау қажет. Ол сол кездегі "Жетісу" жүйесіне кіретінін айтады. Ол өндіріс процестерін және кестесін айтарлықтай жеңілдетеді. Ол сондай-ақ басқа элементтерге көбірек орын қалдырады, мысалы, суыту немесе беріктік үшін көбірек құрылым.
Магнит құрамасы - бұл Массачусетс штатының Девенс қаласында CFS-де қазір жасалып жатқан SPARC тербеліс құрылғысының пончик тәрізді камерасын құрайтын магниттердің аздап кішірейтілген нұсқасы. Ол 16 тақтадан тұрады, олардың әрқайсысында бір жағында сверхпроводный таспаның спиральды орамы бар, екінші жағында гелий газы үшін салқындату арналары бар.
Бірақ оқшауламасыз жоба қауіпті деп саналды, және сынақ бағдарламасына байланысты көптеген нәрселер болды. "Бұл магнитті осы "изоляциясыз, бұрмалаусыз технологиямен" жобалау, салу және сынаудың немен байланысты екенін нақты анықтаған жеткілікті масштабтағы алғашқы магнит болды", - дейді Хартвиг. Біз бұл оқшауламалы катушка екенін жариялағанда, бұл қауым үшін үлкен таңқаларлық болды.
Шекті деңгейге дейін және одан да жоғары
Алдыңғы мақалаларда айтылған алғашқы сынақ жобалау мен өндіру процесінің жұмыс істегенін ғана емес, сонымен қатар өте тұрақты екенін дәлелдеді. 2021 жылдың аяғында жүргізілген келесі екі сынақ құрылғыны қасақана тұрақсыз жағдайларды, соның ішінде апатты қыздыруға әкелуі мүмкін кіріс қуатын толығымен тоқтату арқылы шекке дейін жеткізді. Бұл магниттердің жұмыс істеуіне қатысты ең нашар жағдай болып саналады, ол жабдықты жоюы мүмкін.
Хартвигтің айтуынша, тест бағдарламасының міндеті - шын мәнінде толық масштабтағы магнитті сөндіру, сондықтан біз ғылыми зерттеулерді жүргізу үшін қажетті деректерді дұрыс масштабта және дұрыс жағдайда ала аламыз, дизайн кодтарын растаймыз, содан кейін магнитті бөлшектейміз және не дұрыс емес екенін, неге дұрыс емес екенін және оны қалай
Хартвигтің айтуынша, соңғы сынақ 16 піскен бәліштің бір бұрышы ерігеннен кейін көптеген жаңа мәліметтерді алды. Біріншіден, олар магниттің әртүрлі аспектілерінің жұмысын жобалау және болжау үшін бірнеше түрлі есептеу модельдерін пайдаланып келді. Бірақ сөндірудің әсерін болжау кезінде модельдің болжамы әр түрлі болды, сондықтан модельдің жарамдылығын бағалау үшін тәжірибелік деректерді алу қажет болды.
Біз магниттің қалай жылытатынын, қай деңгейде жылытатынын, ал магнитке қандай зақым келтіретінін болжаған ең сенімді модельдер, дейді ол. Жаңа есептердің бірінде егжей-тегжейлі сипатталғандай, Бұл тест бізге нақты физиканың қандай екенін айтты, және ол бізге қай модельдер болашақта пайдалы екенін және қайсысын дұрыс емес, өйткені олар жолдың шетінде қалдыру керектігін айтты.
Уайт былай дейді: "Біз катушканың барлық басқа аспектілерін сынап көргеннен кейін, қасақана ең жаман нәрсені істедік. Біз катушканың көп бөлігі зақымдалмастан аман қалғандығын анықтадық, ал бір оқшауланған аймақта біраз балқыған. Бұл - катушканың көлеміне қатысты бірнеше пайыз ғана зақымданған. Бұл жобаның қайта қаралуына әкелді, бұл тіпті ең төтенше жағдайларда да синтез құрылғысының магниттерінде осындай зақымдануды болдырмайды деп күтілуде.
Хартвиг команданың осындай жаңа магнитті бірінші рет дұрыс жасап, өте жылдам жасауына себеп - бұл компанияның онжылдықтар бойы жұмыс істеген "Алькатор С-Мод" токамагы, "Фрэнсис Биттер магнит лабораториясы" және басқа да жұмыстар. "Бұл осындай жердің институционалдық мүмкіндіктерінің өзегіне барады", - дейді ол. Бізде осы істерді бір шатыр астында жүзеге асыру үшін мүмкіндік, инфрақұрылым, кеңістік және адамдар болды.
Оның айтуынша, CFS-пен ынтымақтастық да маңызды болды, MIT және CFS академиялық мекеме мен жеке компанияның ең қуатты аспектілерін біріктіріп, өздері жасай алмайтын істерді бірге жасады. Мысалы, CFS-тің негізгі үлестерінің бірі жеке компанияның қуатын пайдаланып, жобадағы ең маңызды материал үшін бұрын-соңды болмаған деңгейде және мерзімде жеткізу тізбегін құру және кеңейту болды: 300 шақырым (186 миль) жоғары температуралы суперөткізгіш, ол бір жылдан аз уақыт ішінде қатаң сапаны бақылаумен сатып алын
Оның айтуынша, екі топтың бірігуі, MIT және CFS командаларының бірігуі де табысқа аса маңызды болды. Біз өзімізді бір команда ретінде ойладық, сондықтан біз жасаған ісімізді жасай алдық.
