Pada jam subuh pada 5 September 2021, para jurutera mencapai tonggak utama di makmal Plasma Science and Fusion Center (PSFC) MIT, apabila sejenis magnet baru, yang dibuat daripada bahan bahan superkonduktor suhu tinggi, mencapai kekuatan medan magnet rekod dunia sebanyak 20 tesla untuk sebuah magnet skala besar. Itulah kekuatan yang diperlukan untuk membina sebuah kilang kuasa penyatuan yang dijangka akan menghasilkan keluaran kuasa bersih dan mungkin membuka satu era pengeluaran kuasa yang hampir tidak terhad.
Ujian tersebut segera dinyatakan berjaya, selepas memenuhi semua kriteria yang ditetapkan untuk reka bentuk peranti penggabungan baharu, yang diberi nama SPARC, di mana magnet-magnet adalah teknologi penentu utama. Penutup botol champagne ditembak keluar apabila pasukan letih yang telah bekerja keras dan lama untuk membuat pencapaian itu mungkin, merayakan kejayaan mereka.
Tetapi itu jauh dari menjadi penghujung proses. Sepanjang bulan-bulan berikutnya, pasukan itu membongkar dan menyemak komponen-komponen magnet, mengkaji dan menganalisis data daripada ratusan alatan yang mencatatkan butiran ujian, dan menjalankan dua pusingan ujian tambahan pada magnet yang sama, pada akhirnya mendorongnya hingga titik putusannya untuk mempelajari butiran apa sahaja mod kegagalan yang mungkin wujud.
Semua kerja keras ini kini telah berujung pada laporan terperinci oleh penyelidik di PSFC dan syarikat spinout MIT, Commonwealth Fusion Systems (CFS), yang diterbitkan dalam koleksi enam kertas sains rakan menghakimi dalam edisi istimewa isu Mac IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Bersama-sama, kertas-kertas tersebut menggambarkan rekabentuk dan pembuatan magnet serta peralatan diagnostik yang diperlukan untuk menilai prestasinya, serta pelajaran yang dipelajari dari proses tersebut. Secara keseluruhan, pasukan itu mendapati bahawa ramalan dan pemodelan komputer adalah tepat, mengesahkan bahawa elemen rekabentuk unik magnet itu boleh menjadi asas kepada kilang kuasa penggabungan.
Membolehkan kuasa penggabungan praktikal
Ujian berjaya magnet tersebut, kata Profesor Kejuruteraan Hitachi America Dennis Whyte, yang baru-baru ini meninggalkan jawatan sebagai pengarah PSFC, adalah " perkara yang paling penting, menurut pendapat saya, dalam 30 tahun penyelidikan penggabungan terakhir."
Sebelum demonstrasi pada 5 September, magnet superkonduktor terbaik yang ada cukup kuat untuk mencapai tenaga fusi — tetapi hanya pada saiz dan kos yang tidak praktikal atau ekonomi. Kemudian, apabila ujian menunjukkan keupayaan praktikal bagi magnet sekuat itu dengan saiz yang jauh lebih kecil, “dalam satu malam, ia hampir mengubah kos per watt bagi reaktor fusi sebanyak 40 kali dalam satu hari,” kata Whyte.
“Sekarang fusi mempunyai peluang,” tambah Whyte. Tokamak, reka bentuk yang paling banyak digunakan untuk peranti fusi eksperimen, “memiliki peluang, menurut pendapat saya, untuk menjadi ekonomi kerana anda mendapat perubahan besar dalam kebolehan, dengan peraturan fizik pengekungan yang diketahui, tentang dapat mengurangkan saiz dan kos objek yang akan membuat fusi mungkin.
Data dan analisis menyeluruh dari ujian magnet PSFC, seperti yang dinyatakan dalam enam kertas baru, telah menunjukkan bahawa rancangan untuk jenerasi baru peranti penggabungan — yang direka oleh MIT dan CFS, serta reka bentuk serupa oleh syarikat penggabungan komersial lain — adalah berasaskan kepada asas kukuh dalam sains.
Kemajuan superkonduktor
Penggabungan, proses menggabungkan atom ringan untuk membentuk yang lebih berat, memberi kuasa kepada matahari dan bintang-bintang, tetapi memanfaatkan proses itu di Bumi telah membuktikan menjadi cabaran yang sukar, dengan puluhan tahun kerja keras dan banyak bilion dolar yang diluangkan untuk peranti eksperimen. Matlamat yang lama dicari, tetapi belum pernah dicapai, adalah untuk membina sebuah kilang kuasa penggabungan yang menghasilkan lebih banyak tenaga daripada yang ia habiskan. Kilang kuasa seperti itu boleh menghasilkan elektrik tanpa mengeluarkan gas rumah hijau semasa operasi, dan menghasilkan sedikit sisa radioaktif. Bahan bakar penggabungan, satu jenis hidrogen yang boleh diperoleh daripada air laut, adalah hampir tidak terhad.
Tetapi untuk membuatnya berfungsi memerlukan pemampatan bahan api pada suhu dan tekanan yang luar biasa tinggi, dan kerana tiada bahan yang diketahui boleh menahan suhu sedemikian, bahan api mesti ditahan oleh medan magnet yang sangat kuat. Pengeluaran medan sekuat itu memerlukan magnet superkonduktor, tetapi semua magnet fusi sebelum ini telah dibuat dengan bahan superkonduktor yang memerlukan suhu sejuk kira-kira 4 darjah di atas sifar mutlak (4 kelvin, atau -270 darjah Celsius). Dalam beberapa tahun terakhir, bahan baharu yang dikenali sebagai REBCO, singkatan dari jarang-bumi barium kuprum oksida, telah ditambah kepada magnet fusi, dan membolehkannya beroperasi pada 20 kelvin, satu suhu yang walaupun hanya 16 kelvin lebih panas, membawa kelebihan yang signifikan dalam sebut harga ciri bahan dan kejuruteraan praktikal.
Memanfaatkan bahan superkonduktor suhu tinggi baru ini bukan sekadar perkara menggantikannya dalam reka bentuk magnit yang sedia ada. Sebaliknya, "ia adalah pengubahsuaian dari permulaan hampir kesemua prinsip yang anda gunakan untuk membina magnit superkonduktor," kata Whyte. Bahan REBCO baru ini "amat berbeza daripada jenerasi superkonduktor sebelumnya. Anda tidak akan hanya menyesuaikan dan menggantikan, tetapi sebenarnya akan mencipta inovasi dari permulaan." Kertas-kertas baru dalam Transaksi tentang Superkonduktiviti Terapan menerangkan butiran proses pengubahsuaian itu, sekarang setelah perlindungan paten telah diletakkan.
Inovasi utama: tiada penyulitan
Salah satu inovasi dramatik, yang membuat banyak pihak di bidang tersebut meragukan peluang keberhasilannya, adalah penghapusan isolasi di sekitar pita superkonduktor yang tipis dan rata yang membentuk magnet. Seperti hampir semua kabel listrik, magnet superkonduktor konvensional sepenuhnya dilindungi oleh bahan penyekat untuk mencegah pemendekaran antara kabel-kabel. Namun, dalam magnet baru, pita dibiarkan sepenuhnya telanjang; para insinyur mengandalkan kekonduktifan yang jauh lebih besar dari REBCO untuk menjaga arus terus mengalir melalui bahan tersebut.
“Apabila kita mula projek ini, katakanlah pada tahun 2018, teknologi menggunakan superkonduktor suhu tinggi untuk membina magnet medan kuat skala besar masih dalam peringkat bayi,” kata Zach Hartwig, Professor Perkembangan Kerjaya Robert N. Noyce di Jabatan Sains dan Kejuruteraan Nuklear. Hartwig mempunyai penempatan bersama di PSFC dan merupakan ketua kumpulan kejuruteraan mereka, yang memimpin projek pembangunan magnet. “Keadaan terkini hanyalah eksperimen kecil di atas meja, tidak benar-benar mewakili apa yang diperlukan untuk membina sesuatu yang penuh saiz. Projek pembangunan magnet kita bermula pada skala meja dan berakhir pada skala penuh dalam tempoh masa yang singkat,” katanya, sambil menandaskan bahawa pasukan itu telah membina sebuah magnet berbobot 20,000 paun yang menghasilkan medan magnet yang mantap dan seragam sebanyak lebih dari 20 tesla — jauh melampaui mana-mana medan seperti itu yang pernah dihasilkan pada skala besar.
Cara piawai untuk membina magnet ini adalah dengan memutar konduktor dan mempunyai penyekat di antara pusingan, dan anda memerlukan penyekat untuk menangani voltan tinggi yang dijana semasa peristiwa luar biasa seperti pemadaman.
Perakitan magnet adalah versi skala lebih kecil berbanding yang akan membentuk bilik berbentuk donat bagi peranti pelaksanaan SPARC yang sedang dibina oleh CFS di Devens, Massachusetts. Ia terdiri daripada 16 pelatah, dipanggil pancake, setiap satu mempunyai pusingan spiral cecairan superkonduktor pada satu sisi dan saluran penyejuk untuk gas helium pada sisi lain.
Tetapi rekabentuk tanpa penyulitan dianggap berisiko, dan banyak perkara bergantung kepada program ujian. "Ini adalah magnet pertama pada skala yang mencukupi yang benar-benar mengkaji apa yang terlibat dalam merancang, membina, dan menguji magnet dengan teknologi tanpa penyulitan tanpa putaran ini," kata Hartwig. "Ia sangat mengejutkan komuniti apabila kami mengumumkan bahawa ia adalah kek pelungsuran tanpa penyulitan."
Mendorong hingga had... dan lebih
Ujian awal, yang diterangkan dalam kertas sebelumnya, membuktikan bahawa rekabentuk dan proses pengeluaran tidak hanya berfungsi tetapi sangat stabil - sesuatu yang diragui oleh beberapa penyelidik. Dua pusingan ujian seterusnya, yang juga dilakukan pada akhir 2021, kemudian mendorong peranti itu hingga had dengan sengaja mencipta keadaan tidak stabil, termasuk pemotongan sepenuhnya kuasa masukan yang boleh menyebabkan pemanasan terlalu yang bencana. Dikenali sebagai penyerahan, ini dianggap sebagai senario terburuk bagi operasi magnet seperti ini, dengan potensi untuk memusnahkan peralatan.
Sebahagian daripada misi program ujian, kata Hartwig, ialah “untuk sebenarnya pergi dan sengaja memadamkan sebuah magnet skala penuh, supaya kita boleh mendapatkan data kritikal pada skala yang betul dan keadaan yang betul untuk memajukan sains, untuk mengesahkan kod reka bentuk, dan kemudian membongkar magnet itu dan melihat apa yang salah, mengapa ia salah, dan bagaimana kita membuat iterasi seterusnya untuk membaiki masalah tersebut. … Ia adalah satu ujian yang sangat berjaya.”
Ujian akhir itu, yang berakhir dengan pengecutan satu sudut daripada salah satu daripada 16 pancake, menghasilkan kewujudan maklumat baru, kata Hartwig. Sebagai contoh, mereka telah menggunakan beberapa model pengiraan yang berbeza untuk memodel dan meramalkan prestasi pelbagai aspek daripada prestasi magnet, dan untuk sebahagian besar, model-model tersebut bersetuju dalam ramalan keseluruhan mereka dan telah disahkan oleh siri ujian dan pengukuran dunia nyata. Tetapi dalam meramalkan kesan quench, ramalan model bertakrif, jadi ia perlu mendapatkan data eksperimen untuk menilai keabsahan model.
“Model-model dengan kefidelitian tertinggi yang kami ada telah meramalkan hampir tepat bagaimana magnet akan panas, sejauh mana ia akan panas ketika ia bermula memburuk, dan di mana kerosakan kepada magnet akan berlaku,” katanya. Seperti yang diterangkan secara terperinci dalam salah satu laporan baru, “Ujian itu sebenarnya memberitahu kami tepat fizik yang sedang berlaku, dan ia memberitahu kami model-model mana yang berguna untuk pergi ke hadapan dan mana yang harus ditinggalkan kerana mereka tidak betul.”
Whyte berkata, “Secara asasnya kami melakukan perkara terburuk yang mungkin kepada satu gegelung, dengan sengaja, selepas kami menguji semua aspek lain prestasi gegelung. Dan kami mendapati bahawa kebanyakan gegelung bertahan tanpa kerosakan,” manakala satu kawasan terasing mengalami beberapa peleburan. “Ia seperti beberapa peratus daripada isi padu gegelung yang rosak.” Dan itu membawa kepada perubahan dalam reka bentuk yang dijangka akan mengelakkan kerosakan tersebut dalam magnet peranti penggabungan sebenar, walaupun di bawah keadaan paling ekstrem.
Hartwig menekankan bahawa satu alasan utama pasukan berjaya mencapai rekod magnet baru yang radikal dan memecahkan rekod, serta mendapatkannya dengan betul pada kali pertama dan mengikut jadual yang sangat cepat, adalah berkat peringkat pengetahuan, kecekapan, dan kelengkapan yang dalam yang terkumpul melalui dekad operasi Alcator C-Mod tokamak, Francis Bitter Magnet Laboratory, dan kerja lain yang dijalankan di PSFC. “Ini membawa kepada inti kemampuan institusi seperti tempat ini,” katanya. “Kami mempunyai keupayaan, infrastruktur, ruang, dan orang untuk melakukan perkara-perkara ini di bawah satu atap.”
Kerjasama dengan CFS juga menjadi kunci, katanya, dengan MIT dan CFS menggabungkan aspek paling kuat dari sebuah institusi akademik dan syarikat swasta untuk melakukan perkara-perkara bersama yang tidak dapat dilakukan oleh mana-mana pihak secara sendiri. “Sebagai contoh, salah satu sumbangan utama daripada CFS adalah memanfaatkan kuasa sebuah syarikat swasta untuk menubuhkan dan meningkatkan rantai bekalan pada tahap dan jangka masa yang belum pernah terjadi sebelum ini untuk bahan paling penting dalam projek: 300 kilometer (186 batu) superkonduktor suhu tinggi, yang telah diperolehi dengan kawalan kualiti yang ketat dalam tempoh kurang dari setahun, dan diintegrasikan mengikut jadual ke dalam magnet.”
Penggabungan dua pasukan, mereka dari MIT dan mereka dari CFS, juga menjadi penting kepada kejayaan, katanya. “Kami memandang diri kami sebagai satu pasukan, dan itu membuatkan kami mampu melakukan apa yang kami lakukan.”
