2021. gada 5. septembra rudenī inženieri ieguva nozīmīgu milzīgu panākumu MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) laboratorijās, kad jauns magneta tips, kas izgatavots no augstas temperatūras pārvades materiāla, ieguva pasaules rekorda magnētiskās lauka stiprumu 20 teslas lielās mērogā magnētam. Tā ir intensitāte, kas nepieciešama, lai uzbūvētu fotonūdeņraža elektrību, kas, kā paredzēts, ražos tīru enerģiju un potenciāli sāktu ēru, kurā enerģiju ražo praktiski bez ierobežojumiem.
Tests tika uzreiz atzīts par veiksmīgu, jo tas atbilst visiem kritērijiem, kas noteikti jaunajai hidrofūzijas ierīcei, ko dēvē par SPARC, un kuras galvenā tehnoloģija ir magnēti. Šampāna korki izplūst, kad nogurusi eksperimentu komanda, kas ilgu laiku un smagi strādāja, lai panāktu šo panākumu, svin savu panākumu.
Taču tas vēl nebija procesa beigas. Turpinājumā esošajiem mēnešiem komanda izšķērdēja un pārbaudīja magneta sastāvdaļas, rūpīgi pārdomāja un analizēja datus no simtiem instrumentu, kas reģistrēja testu detaļas, un veicināja divus papildu testus ar to pašu magnetu, galu galā nospiedot to līdz sabrukuma punktam, lai uzzinātu detaļas par iespējamiem neve
Visas šīs pētnieciskās darbības tagad ir noslēgušās detalizētā ziņojumā, ko sagatavojuši pētnieki no PSFC un MIT izcelsmes uzņēmuma Commonwealth Fusion Systems (CFS), kas publicēts krājumā no sešām recenzētajām zinātniskajām darbībām speciālajā numurā, kas parasts IEEE darījumi ar lietotiem supervadītājiem - Jā. Kopā šie dokumenti apraksta magnēta izstrādi un izgatavošanu, diagnostikas iekārtu, kas vajadzīga, lai novērtētu magnēta darbību, kā arī no šī procesa iegūto pieredzi. Kopumā, kā atklāja grupa, prognozes un datora modeļi bija pareizi, un tika pārbaudīts, ka magnēta unikālie konstrukcijas elementi varētu kalpot par fūzijas elektrostacijas pamatu.
Praktiskās kodolenerģijas radīšana
"Mans viedoklī, magnēta veiksmīgs testējums bija vissvarīgākais pētījums par hidrofūzijas hidrofūzijas hidrofūzijas hidrofūzijas hidrofūzijas hidrofūzijas hidrofūzijas hidrofūzijas hidrofūzijas hidrofūzijas hidrofūzijas hidrofūzijas hidrofūzijas hidrofūzijas hidrof
Pirms 5. septembra demonstrācijas vislabākie pieejami supervadītāji magnēti bija pietiekami spēcīgi, lai potenciāli sasniegtu fúzijas enerģiju, bet tikai ar lielumiem un izmaksām, kas nekad nevarētu būt praktiski vai ekonomiski dzīvotspējīgi. Pēc tam, kad testiem tika parādīta tik spēcīgas magnētiskās ierīces praktiskā izmantojamība ļoti samazināta izmēra gadījumā, - no vienas nakts uz otru - tas pamatīgi mainīja kodoldifuzijas reaktora izmaksu par vatu par gandrīz 40 reizes vienā dienā, - saka Whyte.
"Tagad ir iespēja, ka hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidrauliskā hidraul Tokamaks, visplašāk izmantotā dizaina eksperimentālo kodoldifuziju ierīču, manuprāt, ir iespēja būt ekonomiski izdevīgam, jo jūs savā spējā ar zināmajiem ieslodzīšanas fizikas noteikumiem daudz mainījāt, lai varētu ievērojami samazināt to objektu lielumu un izmaksas, kas radītu kodoldifuziju
Visaptveroši dati un analīze no PSFC magnētisko testu, kā tas ir aprakstīts sešos jaunos dokumentos, ir pierādījuši, ka plāni par jaunas paaudzes hidrofūzijas ierīcēm tās, ko izstrādājuši MIT un CFS, kā arī līdzīgas konstrukcijas, ko izstrādā citas komerciālas hidrofūzijas sabiedrības
Supravadītāja atklāšana
Fūzija, process, kas apvieno vieglas atomas, veidojot smagas, nodrošina saules un zvaigžņu enerģiju, bet šo procesu izmantošana uz Zemes ir izrādījusies ļoti sarežģīta, jo desmitgadēs tika strādāts ļoti smagi un daudzi miljardi dolāru tika tērēti eksperimentālos ierīcēs. Ilgstoši gaidāms, bet vēl neizpildīts mērķis ir izveidot fúzijas elektrostaciju, kas ražotu vairāk enerģijas, nekā patērētu. Šāda elektrostacija varētu ražot elektroenerģiju, neizsaldot siltumnīcefekta gāzu ekspluatācijas laikā un radot ļoti maz radioaktīvo atkritumu. Fūzijas degviela, kas ir ūdeņraža forma, ko var iegūt no jūras ūdens, ir praktiski bezgalīga.
Taču, lai tas darbotos, degviela ir jāspiesta ārkārtīgi augsta temperatūrā un spiediena apstākļos, un, jo neviens materiāls nevar izturēt šādas temperatūras, degviela ir jātur ļoti spēcīgiem magnētiskajiem laukiem. Lai radītu tik spēcīgus laukumus, ir nepieciešami supervadītāji, bet visi iepriekšējie hidrofūzijas magnēti ir izgatavoti no supervadītāju materiāliem, kam nepieciešama 4 grādu auksta temperatūra virs absolūtā nulas (4 kelvini vai -270 grādi celsija). Pēdējos gados hidrofūzijas magnētam tika pievienots jauns materiāls, kas ir dēvēts par REBCO (Rare-earth barium copper oxide), un tas ļauj tiem darboties 20 kelvinos, temperatūrā, kas, lai gan tikai 16 kelvinos ir siltāka, sniedz nozīmīgas priekšrocības, ņemot vērā materiālu īpašības un
Lai izmantotu šo jauno augstākā temperatūras superkonduktoru, nebija pietiekami vienkārši to ievietot esošajos magnētu dizainos. Vienlaikus, "tas bija pārstrādājums no paša sākuma gandrīz visiem principiem, kuros balstās superkonduktor magnētu celtniecība," saka Whyte. Jaunais REBCO materiāls ir "izsmalcināti atšķirīgs no iepriekšējās paaudzes superkonduktoriem. Jūs ne tikai pielāgosieties un aizstāsiet, jūs patiesībā inovēsiet no paša sākuma." Šie jaunie raksti Darījumi ar lietota supervadību apraksta to pārstrādes procesa detaļas, tagad kad patentu aizsardzība ir likumīga.
Galvenais jauninājums: bez izolācijas
Viena no dramatiskām jauninājumiem, kas daudzus no nozares pārstāvjiem pamudināja skeptiski domāt par tās panākumu iespējām, bija izolācijas izņemšana no smalku, plātu supervadītāju lentes, kas veidoja magnētus. Tāpat kā gandrīz visas elektriskās stiepes, arī parasto supervadītāju magnētus pilnībā aizsargā izolējošs materiāls, kas novērš īscirkumcīņus starp stiepļiem. Bet jaunajā magnētī lentes bija pilnīgi tukšas, un inženieri palika pie REBCO daudz lielākas vedības, lai palikt straume caur materiālu.
"Kad mēs sākām šo projektu, teiksim, 2018. gadā, tehnoloģija, kas izmantoja augstas temperatūras pārvadītājus, lai uzlabotu plašu mērogu augstas laukuma magnētus, bija tikai bērnībā", saka Zaks Hartvigs, Robert N. Noyce Karjeras attīstības profesors Kodolzinātņu un inženi Hartvigs ir PSFC kopuzņēmējs un ir tās inženierzinātņu grupas vadītājs, kas vadīja magnetu izstrādes projektu. Pārsteidzoši bija maži eksperimenti uz galda, kas nebija pietiekami reprezentatīvi tam, kas nepieciešams, lai uzbūvētu pilnas lieluma objektu. Mūsu magnetu izstrādes projekts sākās uz lejaspējas mērogā un īslaicīgi tika pabeigts pilnā mērogā", viņš piebilst, piebilstot, ka komanda ir uzbūvējusi 20 000 kilogramu magnetu, kas rada stabilu, līdzīgu magnētisko lauku, kas ir nedaudz vairāk nekā 20 teslas, kas ir daudz lielāks
Standarta veids, kā uzbūvēt šos magnētus, ir, ja jūs uzvilktu vadītāju un jums būtu izolācija starp uzvilkumiem, un jums ir nepieciešama izolācija, lai risinātu augstas sprieguma problēmas, kas rodas ārkārtējo gadījumu, piemēram, slēgšanas laikā. Viņš saka, ka izolācijas slāņu likvidēšanai ir priekšrocība, ka tā ir zema sprieguma sistēma. Tas ievērojami vienkāršo ražošanas procesu un grafiku. Tas arī ļauj vairāk vietas citiem elementiem, piemēram, vairāk aukstums vai vairāk struktūras stiprībai.
Magnētiskais komplekts ir nedaudz mazāka izmēra versija no tiem, kas veido donutsveida kameru SPARC kodolreaktoram, ko tagad ražo CFS Devensā, Masačusets. Tas sastāv no 16 plāksnēm, ko sauc par pannukām, un katrā no tām vienā pusē ir spirālveida supervadītāju lentes uzvilkums, bet otrā pusē ir helija gāzes dzesēšanas kanāli.
Bet bezizolācijas dizains tika uzskatīts par riskantīgu, un daudzas lietas bija atkarīgas no testa programmas. "Tas bija pirmais magnets pietiekamā mērogā, kas patiešām izpētīja, kas ir saistīts ar magneta izstrādi, izveidi un testēšanu ar tā saukto bezizolācijas bezkrūtuma tehnoloģiju", saka Hartvigs. Tā bija ļoti pārsteidzoša sabiedrībai, kad mēs paziņojam, ka tas ir bezizolācijas kārbiņa.
Uzliekot pie robežas... un tālāk
Sākotnējais tests, kas aprakstīts iepriekšējos pētījumos, pierādīja, ka projekta un ražošanas process ne tikai darbojas, bet arī ir ļoti stabils - kaut kas, par ko daži pētnieki bija apšaubījuši. Nākamajos divos testēšanas braucienos, kas tika veikti arī 2021. gada beigās, ierīce tika pievilcināta līdz robežai, apzināti radot nestabilus apstākļus, tostarp pilnīgu izejvielas slēgšanu, kas var izraisīt katastrofālu pārkaršanu. Tas ir pazīstams kā izdzēššana, un to uzskata par sliktāko scenāriju, kas var izraisīt šādu magnētu darbību, un tas var iznīcināt iekārtu.
Daļa no testa programmas uzdevuma, saka Hartvigs, bija "pašāk izkļūt un nodot pilnvērtīgu magnetu, lai mēs varētu iegūt kritiskos datus pareizā mērogā un pareizos apstākļos, lai veicinātu zinātņu attīstību, lai apstiprinātu dizaina kodus, un tad izņemt magnetu un redzēt, kas negāja labi, kāpēc tas negāja
Hartvigs saka, ka pēdējais tests, kas beidzās ar vienu no 16 pannukām, kas tika izšķīdinātas vienā stūrī, radīja daudz jaunu informāciju. Pirmkārt, viņi bija izmantojuši vairākus dažādus aprēķinu modeļus, lai izstrādātu un paredzētu dažādu magnēta veiktspējas aspektu veiktspēju, un lielākoties modeļi vienojās par saviem vispārējiem prognozēm un tika labi apstiprināti ar testu sēriju un reālajā pasaulē veiktajiem mērījumiem. Bet, prognozējot izdzīvojuma ietekmi, modeļa prognozes atšķīrās, tāpēc bija nepieciešams iegūt eksperimentālos datus, lai novērtētu modeļu derīgumu.
"Vienotības modeļi, kas tika prognozēti gandrīz precīzi, kā magnētis sasildīsies, cik tā sasildīsies, kad sāk sasildīties, un kur radīsies magnētam radītais bojājums", viņš saka. Kā detalizēti aprakstīts vienā no jaunajiem ziņojumiem, Tas tests mums patiesi stāstīja, kāda fizika notiek, un tas mums stāstīja, kuri modeļi būs noderīgi nākotnē un kuri jāatsakās, jo tie nav pareizi.
Whyte saka: "Pirmkārt, mēs nodomājām darīt viss sliktāko, kas iespējams ar spirāli, pēc tam, kad esam pārbaudījuši visus citus spirāles darbības aspektus. Mēs atklājām, ka lielākā daļa spuldzes izdzīvo bez bojājumu, bet viena izolēta zona sasilst. Tas ir kā daži procenti no spuldzes tilpuma, kas tika bojāta. Tas izraisīja pārskatu projektēšanā, kas, kā paredzēts, novērš šādu bojājumu patiesos hidrofūzijas ierīces magnētos pat ekstremālos apstākļos.
Hartvigs uzsver, ka galvenais iemesls, kāpēc komanda ir spējusi panākt tik radikālu jaunu magnetu dizainu, kas ir rekords, un to izdarīt pareizi jau pirmajā reizē un pēc straujām laika grafika, ir pateicība dziļai zināšanām, prasmēm un aprīkojumam, kas uzkrāts vairāk nekā desmitgadēs, kad tika izmantots "Tas ir tāda vieta, kur ir ļoti liela iestāžu spēju būtība", viņš saka. Mums bija spējas, infrastruktūra, telpa un cilvēki, lai šīs lietas darītu zem viena jumta.
Viņš saka, ka galvenais bija arī sadarbība ar CFS, MIT un CFS apvienojot akademiskās iestādes un privātas sabiedrības spēcīgākās īpašības, lai kopā darītu lietas, ko neviens no viņiem nevarētu izdarīt pats. Pārvadājumu, kas tika sniegts CFS, bija privātas sabiedrības spēju izmantot, lai izveidotu un palielinātu piegādes ķēdi bezprecedencētā līmenī un laika posmā, kas paredzēta projekta viskritiskākai materiāla sastāvdaļai: 300 kilometriem (186 jūdzēm) augstas temperatūras supervadītāja, kas tika ieg
Viņš saka, ka arī divu komandu, MIT un CFS, integrācija bija ļoti svarīga panākumiem. Mēs uzskatījām, ka esam viena komanda, un tas mums ļāva veikt to, ko darījām.
