In de vroege uurtjes van 5 september 2021 bereikten ingenieurs een belangrijke mijlpaal in de laboratoria van MIT’s Plasma Science and Fusion Center (PSFC), toen een nieuwe type magneet, gemaakt van hoge-temperatuur supergeleidende materiaal, een wereldrecord magnetische veldsterkte van 20 tesla voor een grote schaal magneet bereikte. Dit is de intensiteit die nodig is om een fusiereactor te bouwen die verwacht wordt een nettotoestroom van energie te produceren en mogelijk een tijdperk van vrijwel onbeperkte energieproductie inluidt.
De test werd onmiddellijk een succes verklaard, omdat alle criteria waren vervuld die waren vastgesteld voor de ontwerpfase van het nieuwe fusieapparaat, genaamd SPARC, waarvoor de magneettechnologie de sleuteltechnologie vormt. Champagnekurken sprongen open terwijl het vermoeide team van experimenteurs, dat hard en lang had gewerkt om de prestatie mogelijk te maken, hun bereiking vierde.
Maar dat was verre van het einde van het proces. Gedurende de daaropvolgende maanden sloot het team de componenten van de magneet af en inspecteerde ze, bestudeerde en analyseerde gegevens van honderden instrumenten die details van de tests registreerden, en voerde twee aanvullende testreeksen uit op dezelfde magneet, uiteindelijk duwend tot het breukpunt om de details van eventuele mogelijke falingsmodi te leren kennen.
Al dit werk heeft nu culmineerd in een gedetailleerd rapport door onderzoekers bij PSFC en het MIT spin-off bedrijf Commonwealth Fusion Systems (CFS), gepubliceerd in een collectie van zes peer-reviewed artikelen in een speciale editie van het maartnummer van IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Samen beschrijven de artikelen het ontwerp en de productie van de magneet en het diagnostische uitrusting nodig om zijn prestaties te evalueren, evenals de lessen die uit het proces zijn getrokken. In het algemeen vond het team dat de voorspellingen en computermodellering precies waren, wat bevestigt dat het unieke ontwerpelementen van de magneet als basis kunnen dienen voor een fusiereactor.
Mogelijk maken van praktische fusiekraft
De geslaagde test van de magneet, zegt Hitachi America Professor of Engineering Dennis Whyte, die onlangs is teruggetreden als directeur van het PSFC, was "het belangrijkste, naar mijn mening, in de laatste 30 jaar van fusieonderzoek."
Voor de demonstratie op 5 september waren de beste beschikbare supergeleidende magneetapparaten krachtig genoeg om potentieel fusie-energie te bereiken - maar alleen in maten en kosten die nooit praktisch of economisch haalbaar zouden zijn. Toen de tests echter de haalbaarheid aantoonden van zo'n sterke magneet op een sterk verkleinde afmeting, "veranderde dat bijna overnacht de kosten per watt van een fusiereactor met een factor van bijna 40 in één dag," zegt Whyte.
«Nu heeft fusie een kans», voegt Whyte toe. Tokamaks, het meest gebruikte ontwerp voor experimentele fusie-apparaten, «hebben volgens mij een kans om economisch haalbaar te zijn omdat je een kwantumsprong maakt in je vermogen, met de bekende fysica van beperkingen, om de grootte en de kosten van objecten die fusie mogelijk maken aanzienlijk te verminderen.»
De uitgebreide gegevens en analyse van de PSFC-magnettest, zoals beschreven in de zes nieuwe artikelen, heeft aangetoond dat de plannen voor een nieuwe generatie fusieapparaten — het door MIT en CFS ontworpen toestel, evenals soortgelijke ontwerpen van andere commerciële fusiebedrijven — gebaseerd zijn op een solide wetenschappelijke basis.
De supergeleidende doorbraak
Fusie, het proces waarbij lichte atomen samenkomen om zwaardere te vormen, voedt de zon en sterren, maar het benutten van dit proces op aarde heeft zich ontpopt als een angstaanjagende uitdaging, met decennia van hard werken en vele miljarden dollars besteed aan experimentele apparaten. Het lang nagestreefde, maar nog nooit bereikte, doel is om een fusiekraftcentrale te bouwen die meer energie produceert dan het verbruikt. Zo'n kraftcentrale zou elektriciteit kunnen produceren zonder broeikasgassen uit te stoten tijdens de exploitatie, en slechts zeer weinig radioactief afval genereren. Fusies brandstof, een vorm van waterstof die kan worden afgeleid uit zeewater, is praktisch onbeperkt.
Maar om het werkende te krijgen vereist dat de brandstof wordt samengeperst bij buitengewoon hoge temperaturen en drukken, en omdat geen enkel bekend materiaal zulke temperaturen kan weerstaan, moet de brandstof worden vastgehouden door uiterst krachtige magnetische velden. Het produceren van zulke sterke velden vereist supergeleidende magneet, maar alle eerdere fusiemagneten zijn gemaakt met een supergeleidend materiaal dat temperaturen van ongeveer 4 graden boven absolute nul (4 kelvins, of -270 graden Celsius) vereist. In de laatste paar jaren is een nieuw materiaal, bijgenaamd REBCO, voor zeldemetalbariumkoperoxide, toegevoegd aan fusiemagneten, en dit laat hen opereren bij 20 kelvins, een temperatuur die, hoewel slechts 16 kelvins warmer, belangrijke voordelen biedt in termen van materiaaleigenschappen en praktisch ingenieurswerk.
Het benutten van dit nieuwe hogere temperatuur supergeleidende materiaal was niet gewoon een kwestie van het substitueren in bestaande magneetontwerpen. In plaats daarvan, “was het een herbekijk vanaf de grond af aan van bijna alle principes die je gebruikt om supergeleidende magneten te bouwen,” zegt Whyte. Het nieuwe REBCO materiaal is “uitzonderlijk verschillend van de vorige generatie supergeleiders. Je gaat niet gewoon aanpassen en vervangen, je gaat eigenlijk innoveren vanaf de grond af.” De nieuwe artikelen in Transacties over Toegepaste Supergeleiding beschrijven de details van dat herontwerpingsproces, nu er patentbescherming op zijn plaats is.
Een belangrijke innovatie: geen isolatie
Eén van de dramatische innovaties, waaraan vele anderen in het vak sceptisch waren over de kans op succes, was de eliminatie van isolatie rond de dunne, platte lintjes van supergeleidende tape die de magnet vormden. Net als vrijwel alle elektrische draden zijn conventionele supergeleidende magneetdraden volledig omhuld met isolatiemateriaal om kortsluitingen tussen de draden te voorkomen. Maar in de nieuwe magneet was de tape volledig naakt; de ingenieurs vertrouwden op de veel grotere gevoerlijkheid van REBCO om de stroom door het materiaal te laten vloeien.
“Toen we dit project begonnen, laten we zeggen in 2018, was de technologie van het gebruik van hoge-temperatuur supergeleiders om grote schaal hoge-veld magneten te bouwen nog in zijn kinderschoenen,” zegt Zach Hartwig, de Robert N. Noyce Career Development Professor in de Afdeling Kernwetenschap en -techniek. Hartwig heeft een co-aanstellingsfunctie bij het PSFC en is hoofd van zijn ingenieursgroep, die het magnetontwikkelingsproject leidde. “De state of the art was kleine werkbankexperimenten, niet echt representatief voor wat nodig is om iets volgrootschaligs te bouwen. Ons magnetontwikkelingsproject begon op werkbankschaal en eindigde op volle schaal in een korte tijd,” voegt hij eraan toe, waarbij hij opmerkt dat het team een magneet van 20.000 pond bouwde die een constante, gelijke magneetveld van net over 20 tesla produceerde — ver boven elk dergelijk veld dat ooit op grote schaal is geproduceerd.
“De standaardmethode om deze magneet te bouwen is dat je de geleider zou wikkelen en er isolatie tussen de windingen plaatsen, en je hebt isolatie nodig om om te gaan met de hoge spanningen die tijdens afwijkende gebeurtenissen zoals een shutdown worden gegenereerd.” Het weghalen van de lagen isolatie, zegt hij, “heeft het voordeel van een laagspanningsysteem. Het vereenvoudigt de productieprocessen en planning aanzienlijk.” Het laat ook meer ruimte over voor andere elementen, zoals meer koeling of meer structuur voor sterkte.
De magneetassembly is een iets kleinere schaalversie van de magneeten die de donutvormige kamer van het SPARC-fusieapparaat zullen vormen, dat momenteel wordt gebouwd door CFS in Devens, Massachusetts. Het bestaat uit 16 platen, genoemd pancakes, waarvan elk een spiraalvormige winding van de supergeleidende tape aan de ene kant heeft en koelkanaaltjes voor heliumgas aan de andere kant.
Maar het ontwerp zonder isolatie werd beschouwd als riskant, en veel hing af van het testprogramma. "Dit was de eerste magneet op een voldoende grote schaal die echt onderzocht wat erbij komt kijken om een magneet te ontwerpen, bouwen en testen met deze zogenaamde no-insulation no-twist technologie," zegt Hartwig. "Het was erg verrassend voor de gemeenschap toen we aankondigden dat het een coil zonder isolatie was."
Doordrukken tot de limiet ... en verder
De initiële test, beschreven in eerdere publicaties, bewees dat het ontwerp en de productieproces niet alleen werkten, maar ook hoogst stabiel waren - iets waar sommige onderzoekers aan twijfelden. De volgende twee testronden, eveneens uitgevoerd in laat 2021, duwden het apparaat tot de limiet door expres onstabiele omstandigheden te creëren, inclusief een volledige uitschakeling van binnenkomende stroom die kan leiden tot een catastrofale oververhitting. Dit wordt bekendstaand als quenching, wat wordt beschouwd als het ergste scenario voor de bedrijving van dergelijke magneeten, met de mogelijkheid om de apparatuur te vernielen.
Een deel van de missie van het testprogramma, zegt Hartwig, was “om eigenlijk weg te gaan en met opzet een volledige schaal magnetische te doven, zodat we de kritieke gegevens kunnen verkrijgen in de juiste schaal en onder de juiste omstandigheden om de wetenschap verder te brengen, om de ontwerpcodes te valideren, en vervolgens om de magneet uit elkaar te halen en te zien wat er mis ging, waarom het fout ging, en hoe we de volgende iteratie nemen om dat te corrigeren. … Het was een zeer succesvolle test.”
Die laatste test, die eindigde met het smelten van een hoek van een van de 16 pannenkoeken, leverde volgens Hartwig een grote hoeveelheid nieuwe informatie op. Om te beginnen hadden ze verschillende rekenmodellen gebruikt om de prestaties van verschillende aspecten van de magnet-prestaties te ontwerpen en te voorspellen, en voor het grootste deel waren de modellen het eens in hun algemene voorspellingen en werden ze goed gevalideerd door de reeks tests en praktijkmetingen. Maar bij het voorspellen van het effect van de quench, divergeerden de modelvoorspellingen, dus was het nodig om experimentele gegevens te verkrijgen om de geldigheid van de modellen te evalueren.
“De modellen met de hoogste nauwkeurigheid die we hadden, voorspelden bijna exact hoe de magneet zou opwarmen, in welke mate hij zou opwarmen terwijl hij begon te quenchen, en waar de schade aan de magneet zou optreden,” zegt hij. Zoals uitgebreid beschreven in een van de nieuwe rapporten, “Die test vertelde ons precies wat de fysica was die zich voltrok, en het liet ons zien welke modellen bruikbaar waren voor de toekomst en welke we moesten achterlaten omdat ze niet juist zijn.”
Whyte zegt, “Eigenlijk deden we het ergste wat mogelijk is aan een spoel, expres, nadat we alle andere aspecten van de spoel-prestaties hadden getest. En we vonden dat de meeste delen van de spoel ongeschonden bleven,” terwijl er een geïsoleerd gebied enige smelting onderging. “Het is alsof een paar procent van het volume van de spoel schade opliep.” En dat leidde tot wijzigingen in de ontwerp die verwacht worden om dergelijke schade te voorkomen in de werkelijke fusieapparaatmagneten, zelfs onder de meest extreme omstandigheden.
Hartwig benadrukt dat een belangrijke reden waarom het team in staat was om zo'n radicaal nieuwe record-zettings magnetontwerp te realiseren, en het direct de eerste keer goed te krijgen en op een razendsnelle tijdschema, te danken was aan het diepe niveau van kennis, expertise en uitrusting dat is opgebouwd over decennia van operatie van de Alcator C-Mod tokamak, de Francis Bitter Magnet Laboratory en ander werk uitgevoerd bij PSFC. “Dit komt op het kernpunt van de instellingscapaciteiten van een plek zoals deze,” zegt hij. “We hadden de mogelijkheid, de infrastructuur, de ruimte en de mensen om deze dingen onder één dak te doen.”
De samenwerking met CFS was ook essentieel, zegt hij, met MIT en CFS die de krachtigste aspecten van een academische instelling en een privékbedrijf combineerden om dingen samen te doen die geen van beide alleen had kunnen voltooien. “Bijvoorbeeld, een van de belangrijkste bijdragen van CFS was het benutten van de kracht van een privékbedrijf om een logistieke keten op te zetten en uit te breiden op ongekende schaal en binnen een ongekend tijdsbestek voor het meest kritieke materiaal in het project: 300 kilometer (186 mijl) aan hoge-temperatuursupraleidster, die binnen minder dan een jaar met strenge kwaliteitscontrole is aangeschaft en op schema is geïntegreerd in de magneet.”
De integratie van de twee teams, die van MIT en die van CFS, was eveneens cruciaal voor het succes, zegt hij. “We beschouwden onszelf als één team, en dat maakte het mogelijk om wat we hebben gedaan te bereiken.”
