I dagmorgen 5. september 2021 oppnådde ingeniørar ein stor milepæl i laboratoriane ved MITs Plasma Science and Fusion Center (PSFC), då ein ny type magnet, laga av høgt temperatursuperledende materiale, oppnådde ein verdsrekord magnetfeltstyrke på 20 tesla for ein storskala magnet. Det er den intensiteten som trengs for å bygge eit kjernekraftverk som vil generere netto kraft og som kan føre til ein tid med nesten ubegrenset kraftproduksjon.
Testen vart straks erklært ein suksess, ettersom alle kriteriane for utforminga av den nye fusjonsapparatet, kalla SPARC, som magnetane er den viktigaste teknologien for, var oppfylte. Champagne-løkkar poppa av seg sjølv medan eit avlastande lag av eksperimenterande, som hadde arbeidd lenge og hardt for å oppnå dette, feira oppgåvene sine.
Men det var ikkje slutten på prosessen. I løpet av dei neste månadene, reiste teamet og inspekteerte komponentane i magneten, granska og analyserte data frå hundrevis av instrument som hadde registrert detaljene i testane, og gjorde to tilleggsprøvingar på den same magneten, og i det siste pressa han til brytingspunktet for å læra detaljene om
Alt dette arbeid har nå culminert i en detaljert rapport av forskere ved PSFC og MIT-spinoff selskap Commonwealth Fusion Systems (CFS), publisert i en samling på seks fagfellevurderte artikler i en spesialutgave av marsnummeret av IEEE-transaksjonar om applikert superledskap Du kan ikkje. Saman skildrar artiklane utforminga og produksjonen av magneten og diagnostisk utstyr som trengst for å evaluera ytinga, og dessutan lærdomane som vert lært av prosessen. Forsøkjarane fann ut at forutsetningane og dataversjonen var riktige og at dei kunne utgjere eit kraftverk basert på fusjonskraft.
Det er ein praktisk fusjonskraft
Den vellykkte prøva av magneten, seier professor i ingeniørvitenskap ved Hitachi America, Dennis Whyte, som nyleg gjekk av som direktør for PSFC, var den viktigaste tingen, etter min mening, i dei siste 30 åra med fusjonsforsking.
Før demonstrasjonen 5. september var dei beste tilgjengelige superledende magnetane kraftig nok til å oppnå energi frå fusjon, men berre i storleiken og kostnadene som aldri kunne vore praktisk eller økonomisk forsvarleg. Då testane viste at ein så sterk magnet kunne brukast i ein så redusert storleik, overnight, endra det i grunnen kostnaden per watt av ein fusjonsreaktor med nesten 40 prosent på ein dag, seier Whyte.
"No har fusjonen ei sjanse", legg han til. Tokamaks, den mest brukte designen for eksperimentelle fusjonsmaskiner, har ein sjanse for å vera økonomisk fordi du kan endre kvantet ditt, med dei kjende reglane for fysikk om å kunne redusere storleiken og kostnaden av objekt som gjer fusjon mogleg.
Dei omfattende data og analysane frå PSFCs magnettest, som er detaljert i dei seks nye oppgåvene, har vist at planane for ei ny generasjon fusjonsutstyr den som er utvikla av MIT og CFS, og liknande utbyggingar av andre kommersielle fusjonsselskap er bygd på eit solid grunnlag i vitskap.
Oppfinninga i superledende elektrisitet
Fusjon, den prosessen med å kombinera lettare atomer for å danna tyngre, gir energi til sola og stjernene, men å drive denne prosessen på jorda har vist seg å vera ei vanskeleg oppgåve, med fleire tiår med harde arbeid og mange milliarder dollar i kostnad av eksperimentert utstyr. Det lengt etter, men enno ikkje nådde målet, er å byggja eit fusjonskraftverk som produserer meir energi enn det forbrukar. Slikt kraftverk kunne produsera elektrisitet utan å utsletta klimagasar under drift, og generere svært lite radioaktivt avfall. Brensel for fusjon, ein form for hydrogen som kan byggjast opp av sjøvann, er så godt som ubegrenset.
Men for å få det til å fungere må brenselen trykkast ned til ekstremt høge temperaturar og trykk, og sidan ingen kjent materiale kan tåle slike temperaturar, må brenselen holdes på plass av ekstremt sterke magnetfelt. For å laga slike sterke felt krevst det superledende magnetar, men alle tidlegare fusjonsmagnetar har vorte laga med eit superledende materiale som krevde kalde temperaturar på rundt 4 grader over absolutt null (4 kelvin, eller -270 grader Celsius). Dei siste åra har eit nyare materiale som heiter REBCO, for sjeldne jordar, blitt lagt til fusjonsmagnetar, og det gjer at dei kan arbeide ved 20 kelvin, ein temperatur som til trass for å vera berre 16 kelvin varmare, gjev betydelege fordeler når det gjeld eigenskapar og praktisk teknikk.
Å utnytte denne nye høytemperatursuperledende materialet var ikke bare et spørsmål om å erstatte det i eksisterende magnetdesigner. I stedet, "var det en gjenoppbygging fra grunnen av nesten alle prinsippene du bruker for å bygge superledende magner," sier Whyte. Det nye REBCO-materialet er "ekstraordinært annerledes enn den foregående generasjonen av superledere. Du går ikke bare til å tilpasse og erstatte, du kommer faktisk til å innovere fra grunnen av." De nye artiklene i Transaksjonar om overføring av elektrisk energi beskriver detaljene rundt den redesign-prosessen, nå da patentbeskyttelse er på plass.
Ein viktig nying: Ingen isolering
Ein av dei dramatiske novasjonane, som gjorde at mange andre på det området var skeptiske til sjansen for å lykkes, var å fjerne isolering av det tunne, flate båndet av overledende tape som danna magneten. Som nesten alle elektriske trådar er vanlege superledende magnetar fullt beskytte av isolerende materiale for å hindra kortslutningar mellom tråda. Men i den nye magneten blei tapeen att heilt naken; ingeniørane la til REBCO med mykje større leiddyktighet for å halda straumen gjennom materialet.
"Når vi starta dette prosjektet, lat oss seia i 2018, var teknologien for å bruka superleiarar ved høgt temperatur for å laga store magnetar med høgt felt i spedbarn", seier Zach Hartwig, Robert N. Noyce Career Development Professor ved Institutt for kjernefysisk vitskap og ingeniørvitenskap. Hartwig har ein samansetting ved PSFC og er hovud for ingeniørgruppen, som leidde magnetutviklingsprosjektet. Staden av kunst var små eksperiment på eit bord, ikkje noko for eit representant for det som krevst for å bygge eit objekt i full størrelse. Magnetutviklingsprojektet vårt starta på ein stor skala og enda på full skala på ei kort tid, legg han til, og la til at teamet bygde ein 20.000 pund magnet som produserte eit jevnt og jevnt magnetfelt på litt over 20 tesla langt over alt som nokon gong er produsert i stor skala.
Den vanlege måten å laga magnetar på er at du brukar ei solstrømsleiar som du kan isolera mellom, og du treng isolering for å håndtere den høye spenningen som blir generert under uvanlege hendingar som ein stans. Han seier at det å fjerne isoleringslag har den fordel at det er eit lavspenningssystem. Det forenklar produksjonsprosessane og tidsplanen i stor grad. Det lèt òg meir rom for andre elementer, som meir kjøling eller meir struktur for styrke.
Magnetan er ein litt mindre versjon av den som skal danna den donutforma kammaren i SPARC-fusjonaranlegget som no vert bygd av CFS i Devens, Massachusetts. Den består av 16 platar, kalla pannekaker, kvar med ei spiral av superledende tape på éin side og kjølekanalar for heliumgass på den andre.
Men det var risikabel, fordi det ikkje var noko for testen. "Dette var den første magneten i tilstrekkeleg stor skala som verkeleg prøvde kva som krevst for å designa, bygga og teste ein magnet med denne såkalla isoleringsfrie, vringsfrie teknologien", seier Hartwig. Det var ei stor overrasking for samfunnet når vi kunngjorde at det var ei isoleringsfri spole.
Og det er ein strev til grensa
Den første prøva, som er skildra i tidlegare oppgåver, viste at utforminga og produksjonsprosessen ikkje berre fungerte, men var svært stabil noko som nokre forskarar hadde tvila på. Dei neste to testreiingane, som òg blei utført seinare i 2021, førde apparatet til grensa ved å skapa ustabile omstende med vilje, inkludert ein fullstendig avstenging av innkommende kraft som kan føra til ein katastrofale overoppheting. Dette er ein såkalt "døming" - eit tilfelle som kan øydeleggja utstyret.
Hartwig seier at ein del av oppgåva til forsøksprogrammet var å ta ein full skala magnet og tenna han med ein gong, slik at me kunne få kritiske data i rett skala og under rett omstendigheter for å kunne utvikle dei tekniske tinga, for å kunne validera utforminga av koden, og deretter fjerne magneten og sjå kva som gjekk feil, k
Denne siste prøva, som enda med at ein av dei 16 pannekakerne smelte, gav ei mengde ny informasjon, seier Hartwig. Ein ting var at dei hadde brukt fleire ulike beregningsmodeller for å designa og spå om ytinga av ulike aspekter av ytelsen til magneten, og for det meste var modellane samde i dei generelle spådomane sine og blei godt validert av ei serie test og målingar i den virkelige verda. Men når det gjaldt å forutse effekten av sløytinga, vart modellforutsetningane ulik, så det var naudsynt å få eksperimentelle data for å evaluera modellane gyldighet.
"Modellene med høgaste tillit som vi hadde forutsigt, var nesten nøyaktig korleis magneten ville varme opp, i kva grad han ville varme opp når han byrja å sløkkje, og kvar skaden som følgde ut for magneten ville vera", seier han. Som forklart i detalj i ein av dei nye rapportane, viste denne testen nøyaktig kva fysikk er og kva modellane er nyttig og kva skal setjast ned fordi dei ikkje er den rette.
Whyte seier, "Eg trur me gjorde det verst moglege med ein bobine, på eit vis, etter at vi hadde testa alle dei andre aspekta. Og vi fann at mesteparten av baklinga overlevde utan å bli sletta, medan eit område vart litt avsmeltande. Det er berre nokre få prosent av totalvolumet som vert skadd. Dette førte til at det blei gjort ein endring i designen som skulle forebygge hendingar med magneta i fusjonsapparatet sjølv om dei var i ytterste vanskelege omstende.
Hartwig understrek at ein stor grunn til at teamet klarte å oppnå eit så radikalt nytt rekordleg magnetdesign, og få det rett første gongen og på ein halsbrennande tidsplan, var takket vere den djupe kunnskap, kompetanse og utstyr som var oppbygd gjennom tiår med drift av tokamaken Alcator C-Mod, "Dette går til hjartet av den institusjonelle kapasiteten til eit sted som dette", seier han. Me hadde kapasitet, infrastruktur, rom og folk til å gjere alt dette på ein og same plass.
Samarbeidet med CFS var òg nøkkelen, seier han, med MIT og CFS som kombinerte dei mektigaste aspektane av ein akademisk institusjon og eit privat selskap for å gjera ting saman som ingen av dei kunne gjort på egen hand. Dels var eit av dei største bidragane frå CFS å nytta krafta til eit privat selskap for å oppretta og skalere ei forsyningskjede på eit førtidavel og tidslinje for det mest kritiske materialet i prosjektet: 300 kilometer med høgtemperatur superleiar, som blei kjøpt med streng kvalitetskontroll på mindre enn eit
Integrasjonen av dei to gruppene, dei frå MIT og dei frå CFS, var òg avgjørende for suksess, seier han. Vi tenkte på oss sjølve som eit team, og det gjorde det mogleg å gjere det vi gjorde.
