Pada waktu pagi sebelum fajar Sept. Pada 5 Julai 2021, jurutera mencapai tonggak penting di makmal Pusat Sains dan Fusi Plasma MIT (PSFC), apabila jenis magnet baru, yang diperbuat daripada bahan superkonduktif suhu tinggi, mencapai kekuatan medan magnet rekod dunia sebanyak 20 tesla untuk magnet berskala besar. Itulah intensiti yang diperlukan untuk membina loji kuasa fusi yang dijangka menghasilkan output bersih
Ujian itu segera diisytiharkan berjaya, setelah memenuhi semua kriteria yang ditetapkan untuk reka bentuk peranti fusi baru, yang digelar Sparc, di mana magnet adalah teknologi utama yang membolehkan. corks champagne meledak sebagai pasukan yang letih percubaan, yang telah bekerja lama dan keras untuk membuat pencapaian ini mungkin, meraikan pencapaian mereka.
Tetapi itu jauh dari akhir proses. Selama beberapa bulan berikutnya, pasukan itu merobek dan memeriksa komponen magnet, mengkaji dan menganalisis data dari beratus-ratus instrumen yang merakam butiran ujian, dan melakukan dua ujian tambahan pada magnet yang sama, akhirnya mendorongnya ke titik pecahnya untuk mempelajari butiran sebarang kemungkinan mode kegagalan.
Semua kerja ini kini telah memuncak dalam laporan terperinci oleh penyelidik di PSFC dan MIT syarikat spinout Sistem Fusi Komanwel (CFS), diterbitkan dalam koleksi enam kertas ulasan rakan dalam edisi khas edisi Mac edisiieee transaksi mengenai superkonduktiviti yang digunakan. bersama-sama, kertas kerja menerangkan reka bentuk dan pembuatan magnet dan peralatan diagnostik yang diperlukan untuk menilai prestasi, serta pelajaran yang diperoleh dari proses. Secara keseluruhan, pasukan mendapati, ramalan dan pemodelan komputer tepat, mengesahkan bahawa elemen reka bentuk unik magnet dapat berfungsi sebagai asas untuk loji janakuasa fusi.
membolehkan tenaga fusi praktikal
Ujian berjaya magnet, kata Hitachi Amerika Profesor kejuruteraan Dennis Whyte, yang baru-baru ini meletakkan jawatan sebagai pengarah PSFC, adalah "yang paling penting, menurut pendapat saya, dalam 30 tahun terakhir penyelidikan fusi".
sebelum Sept. 5 menunjukkan, magnet superkonduktif terbaik yang ada cukup kuat untuk berpotensi mencapai tenaga fusi tetapi hanya pada saiz dan kos yang tidak pernah boleh praktikal atau ekonomi. kemudian, apabila ujian menunjukkan kepraktisan magnet yang kuat pada saiz yang sangat berkurangan, selama semalam, ia pada dasarnya mengubah kos per watt reaktor fusi dengan faktor hampir 40 dalam satu hari,
"Sekarang fusi mempunyai peluang", kata Whyte. Tokamaks, reka bentuk yang paling banyak digunakan untuk peranti fusi eksperimen, "memiliki peluang, menurut pendapat saya, untuk menjadi ekonomi kerana anda" mempunyai perubahan kuantum dalam keupayaan anda, dengan peraturan fizik pengekangan yang diketahui, tentang dapat mengurangkan saiz dan kos objek yang akan membuat fusi mungkin.
data komprehensif dan analisis dari ujian magnet psfcs, seperti yang terperinci dalam enam kertas kerja baru, telah menunjukkan bahawa rancangan untuk peranti fusi generasi baru yang direka oleh MIT dan cfs, serta reka bentuk serupa oleh syarikat fusi komersial lain dibina di atas asas sains yang kukuh.
Penembusan superkonduktif
Fusi, proses menggabungkan atom ringan untuk membentuk atom yang lebih berat, memberi kuasa kepada matahari dan bintang, tetapi memanfaatkan proses itu di bumi telah terbukti menjadi cabaran yang menakutkan, dengan beberapa dekad kerja keras dan berbilion-bilion dolar yang dibelanjakan untuk peranti eksperimen. matlamat yang lama dicari, tetapi belum pernah dicapai, adalah untuk membina loji tenaga fusi yang menghasilkan lebih banyak tenaga
tetapi untuk membuatnya berfungsi memerlukan mampatan bahan api pada suhu dan tekanan yang sangat tinggi, dan kerana tidak ada bahan yang diketahui dapat menahan suhu sedemikian, bahan api mesti dipegang di tempatnya oleh medan magnet yang sangat kuat. menghasilkan medan yang kuat memerlukan magnet superkonduktif, tetapi semua magnet fusi sebelumnya telah dibuat dengan bahan superkonduktif yang memerlukan suhu sejuk sekitar 4 darjah di atas
mengambil kesempatan daripada bahan superconducting suhu yang lebih tinggi ini baru bukan hanya masalah menggantikannya dalam reka bentuk magnet sedia ada. sebaliknya, ia adalah kerja semula dari bawah hampir semua prinsip yang anda gunakan untuk membina magnet superconducting, whyte berkata. bahan rebco baru adalah luar biasa berbeza daripada generasi sebelumnya superconductors. anda bukan hanyatransaksi mengenai superkonduktiviti yang digunakanmenerangkan butiran proses reka bentuk semula itu, sekarang perlindungan paten telah berlaku.
inovasi utama: tiada penebat
salah satu inovasi dramatik, yang mempunyai ramai yang lain dalam bidang yang ragu-ragu terhadap peluang keberhasilannya, adalah penghapusan penebat di sekitar pita pita superkonduktor yang nipis dan rata yang membentuk magnet. seperti hampir semua wayar elektrik, magnet superkonduktor konvensional dilindungi sepenuhnya oleh bahan penebat untuk mencegah litar pendek antara wayar. tetapi dalam magnet
ketika kami memulakan projek ini, katakanlah pada tahun 2018, teknologi menggunakan superkonduktor suhu tinggi untuk membina magnet medan tinggi berskala besar masih dalam tahap awal, kata Zach Hartwig, profesor pembangunan kerjaya Robert N. Noyce di jabatan sains dan kejuruteraan nuklear. Hartwig mempunyai pelantikan bersama di PSFC dan merupakan ketua kumpulan kejuruteraan, yang
cara standard untuk membina magnet ini ialah anda akan mengelilingi konduktor dan anda mempunyai penebat di antara pengelilingian, dan anda memerlukan penebat untuk menangani voltan tinggi yang dihasilkan semasa peristiwa luar normal seperti penutupan. menghilangkan lapisan penebat, katanya, memiliki kelebihan menjadi sistem voltan rendah. ia sangat memudahkan proses pembuatan dan jadu
Perhimpunan magnet adalah versi skala yang sedikit lebih kecil daripada yang akan membentuk ruang berbentuk donat dari peranti fusi percikan yang kini dibina oleh CFS di Devens, Massachusetts. Ia terdiri daripada 16 plat, yang dipanggil pancake, masing-masing membawa spiral penggulung pita superkonduktor di satu sisi dan saluran penyejukan untuk gas helium di sisi lain.
ini adalah magnet pertama pada skala yang mencukupi yang benar-benar mengkaji apa yang terlibat dalam merancang dan membina dan menguji magnet dengan apa yang dipanggil teknologi tanpa penebat tanpa sentuhan, Hartwig berkata. ia sangat mengejutkan kepada komuniti apabila kami mengumumkan bahawa ia adalah gegelung tanpa penebat.
mendorong ke had... dan seterusnya
ujian awal, yang diterangkan dalam kertas kerja sebelumnya, membuktikan bahawa proses reka bentuk dan pembuatan tidak hanya berfungsi tetapi sangat stabil sesuatu yang telah dipersoalkan oleh sesetengah penyelidik. dua ujian seterusnya, juga dilakukan pada akhir 2021, kemudian mendorong peranti ke had dengan sengaja mewujudkan keadaan tidak stabil, termasuk penutupan penuh kuasa masuk yang boleh menyebabkan terlalu panas yang bencana. yang dikenali sebagai penying
sebahagian daripada misi program ujian, Hartwig berkata, adalah untuk benar-benar pergi dan sengaja memadamkan 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 untuk mengambil magnet terpisah dan melihat apa yang salah, mengapa ia salah, dan bagaimana kita mengambil pengulangan seterusnya
ujian akhir, yang berakhir dengan pencairan satu sudut salah satu daripada 16 pancake, menghasilkan banyak maklumat baru, Hartwig berkata. satu perkara, mereka telah menggunakan beberapa model pengkomputeran yang berbeza untuk merancang dan meramalkan prestasi pelbagai aspek prestasi magnet, dan untuk sebahagian besarnya, model bersetuju dalam ramalan keseluruhan mereka dan disahkan dengan baik oleh siri ujian dan pengukuran dunia nyata
model-model yang paling tinggi yang kita telah meramalkan hampir tepat bagaimana magnet akan memanas, pada tahap apa ia akan memanas apabila ia mula memadam, dan di mana akan kerosakan yang dihasilkan kepada magnet akan, dia berkata. seperti yang diterangkan secara terperinci dalam salah satu laporan baru, ujian itu sebenarnya memberitahu kita dengan tepat fizik yang sedang berlaku,
whyte berkata, pada dasarnya kami melakukan perkara yang paling buruk kepada gegelung, dengan sengaja, selepas kami telah menguji semua aspek lain prestasi gegelung. dan kami mendapati bahawa kebanyakan gegelung bertahan tanpa kerosakan, sementara satu kawasan yang terpencil mengalami beberapa peleburan. ia seperti beberapa peratus daripada jumlah gegelung yang rosak.
Hartwig menekankan bahawa sebab utama pasukan dapat mencapai reka bentuk magnet yang baru yang mendatar, dan melakukannya dengan betul pada kali pertama dan dalam jadual yang mematikan, adalah berkat tahap pengetahuan, kepakaran, dan peralatan yang terkumpul selama beberapa dekad operasi tokamak alcator c-mod, makmal magnet Francis bitter, dan kerja lain yang dilakukan di psfc. ini
kerjasama dengan cfs juga penting, katanya, dengan MIT dan cfs menggabungkan aspek yang paling kuat dari institusi akademik dan syarikat swasta untuk melakukan perkara bersama-sama yang tidak dapat dilakukan sendiri. misalnya, salah satu sumbangan utama dari cfs adalah memanfaatkan kuasa syarikat swasta untuk mewujudkan dan meningkatkan rantaian bekalan pada tahap yang belum pernah berlaku sebelumnya dan garis masa untuk bahan yang paling krit
Integrasi kedua-dua pasukan, mereka dari MIT dan mereka dari CFS, juga penting untuk kejayaan, katanya.
