W przedświcie 5 września 2021 roku inżynierowie osiągnęli ważny kamień milowy w laboratoriach Centrum Nauki Plazmy i Fuzji MIT (PSFC), gdy nowy typ magnesu, wykonany z materiału nadprzewodzącego w wysokiej temperaturze, osiągnął rekordową siłę pola magnetycznego wynoszącą 20 tesli dla dużego magnesu. To intensywność potrzebna do zbudowania elektrowni fuzji, która ma produkować dodatnią moc i potencjalnie wprowadzić erę praktycznie nieograniczonej produkcji energii.
Test został natychmiast ogłoszony sukcesem, spełniając wszystkie kryteria ustalone dla projektu nowego urządzenia do fuzji, nazwanego SPARC, dla którego magnesy są kluczową technologią umożliwiającą. Korki od szampana wystrzeliły, gdy zmęczony zespół eksperymentatorów, który długo i ciężko pracował, aby osiągnięcie stało się możliwe, świętował swoje osiągnięcie.
Ale to było dalekie od końca procesu. W ciągu następnych miesięcy zespół rozebrał i zbadał komponenty magnesu, przestudiował i przeanalizował dane z setek instrumentów, które rejestrowały szczegóły testów, oraz przeprowadził dwa dodatkowe testy na tym samym magnesie, ostatecznie doprowadzając go do punktu łamania, aby poznać szczegóły ewentualnych trybów awarii.
Wszystko to teraz zakończyło się szczegółowym raportem badaczy z PSFC i spółki Commonwealth Fusion Systems (CFS), wyłonionej z MIT, opublikowanym w kolekcji sześciu artykułów recenzowanych w specjalnym numerze marca IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Razem, artykuły opisują projekt i wytwarzanie magnesu oraz sprzętu diagnostycznego potrzebnego do oceny jego wydajności, a także wnioski wyciągnięte z tego procesu. Ogólnie rzecz biorąc, zespół stwierdził, że prognozy i modelowanie komputerowe były trafne, potwierdzając, że unikalne elementy konstrukcyjne magnesu mogą stanowić fundament dla elektrowni fuzyjnej.
Umożliwienie praktycznej energii fuzyjnej
Udany test magnesu, mówi profesor inżynierii Hitachi America Dennis Whyte, który niedawno zrezygnował z funkcji dyrektora PSFC, był „najważniejszą rzeczą, moim zdaniem, w ciągu ostatnich 30 lat badań nad fuzją.”
Przed demonstracją 5 września najlepsze dostępne magnesy nadprzewodzące były wystarczająco potężne, aby potencjalnie osiągnąć energię fuzji — ale tylko w rozmiarach i kosztach, które nigdy nie mogłyby być praktyczne ani ekonomicznie opłacalne. Następnie, gdy testy pokazały praktyczność tak silnego magnesu w znacznie zmniejszonym rozmiarze, „z dnia na dzień, zasadniczo zmieniło to koszt za wat energii reaktora fuzji o prawie 40 razy w jeden dzień,” mówi Whyte.
„Teraz fuzja ma szansę,” dodaje Whyte. Tokamaki, najczęściej używany projekt urządzeń eksperymentalnych do fuzji, „mają szansę, moim zdaniem, na bycie ekonomicznymi, ponieważ masz kwantową zmianę w swojej zdolności, przy znanych zasadach fizyki uwięzienia, do znacznego zmniejszenia rozmiaru i kosztu obiektów, które uczyniłyby fuzję możliwą.”
Kompleksowe dane i analizy z testu magnesu PSFC, szczegółowo opisane w sześciu nowych pracach, wykazały, że plany dotyczące nowej generacji urządzeń do fuzji — tych zaprojektowanych przez MIT i CFS, a także podobnych projektów innych komercyjnych firm zajmujących się fuzją — opierają się na solidnych podstawach naukowych.
Przełom w superprzewodnictwie
Fuzja, proces łączenia lekkich atomów w cięższe, napędza słońce i gwiazdy, ale wykorzystanie tego procesu na Ziemi okazało się ogromnym wyzwaniem, z dziesięcioleciami ciężkiej pracy i wieloma miliardami dolarów wydanymi na urządzenia eksperymentalne. Długo poszukiwanym, ale nigdy jeszcze nieosiągniętym celem jest zbudowanie elektrowni fuzji, która produkuje więcej energii, niż zużywa. Taka elektrownia mogłaby produkować energię elektryczną bez emisji gazów cieplarnianych podczas pracy i generować bardzo mało odpadów radioaktywnych. Paliwo fuzji, forma wodoru, która może być pozyskiwana z wody morskiej, jest praktycznie nieograniczone.
Ale aby to działało, konieczne jest sprężenie paliwa w niezwykle wysokich temperaturach i ciśnieniach, a ponieważ żaden znany materiał nie mógłby wytrzymać takich temperatur, paliwo musi być utrzymywane na miejscu przez niezwykle silne pola magnetyczne. Wytwarzanie tak silnych pól wymaga nadprzewodzących magnesów, ale wszystkie wcześniejsze magnesy do fuzji były wykonane z materiału nadprzewodzącego, który wymaga lodowatych temperatur około 4 stopni powyżej zera bezwzględnego (4 kelwiny, lub -270 stopni Celsjusza). W ciągu ostatnich kilku lat do magnesów fuzji dodano nowszy materiał o przydomku REBCO, dla tlenku miedzi baru ziem rzadkich, który pozwala im działać w temperaturze 20 kelwinów, temperatura ta, mimo że jest tylko 16 kelwinów cieplejsza, przynosi znaczące korzyści pod względem właściwości materiałowych i inżynierii praktycznej.
Wykorzystanie tego nowego materiału superprzewodzącego w wyższych temperaturach nie było tylko kwestią jego podmiany w istniejących projektach magnesów. Zamiast tego „była to ponowna praca nad niemal wszystkimi zasadami, które stosuje się do budowy magnesów superprzewodzących”, mówi Whyte. Nowy materiał REBCO jest „wyjątkowo różny od poprzedniej generacji superprzewodników. Nie będziecie mogli po prostu dostosować i zastąpić, naprawdę musicie innowować od podstaw.” Nowe artykuły Transactions on Applied Superconductivity opisują szczegółowo ten proces redesignu, teraz gdy ochrona patentowa jest na miejscu.
Kluczowa innowacja: brak izolacji
Jedną z dramatycznych innowacji, która wzbudziła wiele wątpliwości wśród innych w tej dziedzinie co do jej szans na sukces, było wyeliminowanie izolacji wokół cienkich, płaskich taśm nadprzewodzących, które tworzyły magnes. Jak praktycznie wszystkie przewody elektryczne, konwencjonalne magnesy nadprzewodzące są w pełni chronione materiałem izolacyjnym, aby zapobiec zwarciom między przewodami. Ale w nowym magnesie taśma została całkowicie odsłonięta; inżynierowie polegali na znacznie większej przewodności REBCO, aby utrzymać przepływ prądu przez materiał.
“Kiedy zaczęliśmy ten projekt, powiedzmy w 2018 roku, technologia wykorzystania nadprzewodników wysokotemperaturowych do budowy dużych magnesów o wysokim polu była w powijakach,” mówi Zach Hartwig, profesor rozwoju kariery Roberta N. Noyce'a w Katedrze Nauk Jądrowych i Inżynierii. Hartwig ma współzatrudnienie w PSFC i jest szefem grupy inżynieryjnej, która prowadziła projekt rozwoju magnesu. “Stan wiedzy opierał się na małych eksperymentach laboratoryjnych, które nie były naprawdę reprezentatywne dla tego, co jest potrzebne do zbudowania pełnowymiarowego urządzenia. Nasz projekt rozwoju magnesu rozpoczął się na skali laboratoryjnej i zakończył na pełnej skali w krótkim czasie,” dodaje, zauważając, że zespół zbudował magnes ważący 20 000 funtów, który wytwarzał stabilne, jednorodne pole magnetyczne o wartości nieco ponad 20 tesli — znacznie przekraczające jakiekolwiek takie pole kiedykolwiek wytworzone na dużą skalę.
„Standardowy sposób budowy tych magnesów polega na nawijaniu przewodnika i posiadaniu izolacji między nawijaniami, a izolacja jest potrzebna do radzenia sobie z wysokimi napięciami, które powstają podczas nietypowych zdarzeń, takich jak zatrzymanie.” Eliminacja warstw izolacji, mówi, „ma tę zaletę, że jest systemem niskonapięciowym. Znacząco upraszcza procesy produkcyjne i harmonogram.” Pozostawia to również więcej miejsca na inne elementy, takie jak więcej chłodzenia lub więcej struktury dla wytrzymałości.
Zespół magnesów jest nieco mniejszą wersją tych, które utworzą komorę w kształcie donuta urządzenia fuzji SPARC, które jest obecnie budowane przez CFS w Devens w Massachusetts. Składa się z 16 płyt, zwanych naleśnikami, z każdą z spiralnym nawinięciem taśmy nadprzewodzącej z jednej strony i kanałami chłodzącymi dla gazu helu z drugiej.
Ale projekt bez izolacji był uważany za ryzykowny, a wiele zależało od programu testowego. „To był pierwszy magnes w jakiejkolwiek wystarczającej skali, który naprawdę badał, co jest zaangażowane w projektowanie, budowanie i testowanie magnesu z tzw. technologią bez izolacji i bez skręcania,” mówi Hartwig. „Było to dla społeczności ogromnym zaskoczeniem, gdy ogłosiliśmy, że to jest cewka bez izolacji.”
Pchanie do granic … i poza nie
Początkowy test, opisany w poprzednich pracach, udowodnił, że proces projektowania i produkcji nie tylko działa, ale jest również bardzo stabilny — coś, co niektórzy badacze wątpili. Następne dwa testy, również przeprowadzone pod koniec 2021 roku, pchnęły urządzenie do granic, celowo tworząc niestabilne warunki, w tym całkowite odcięcie zasilania, co może prowadzić do katastrofalnego przegrzania. Znane jako gaszenie, jest to uważane za najgorszy scenariusz dla działania takich magnesów, z potencjałem do zniszczenia sprzętu.
Częścią misji programu testowego, mówi Hartwig, było „właściwie odłączyć i celowo schłodzić magnes w pełnej skali, abyśmy mogli uzyskać krytyczne dane w odpowiedniej skali i w odpowiednich warunkach, aby posunąć naukę naprzód, zweryfikować kody projektowe, a następnie rozebrać magnes i zobaczyć, co poszło nie tak, dlaczego to poszło nie tak i jak możemy przejść do następnej iteracji w celu naprawienia tego. … To był bardzo udany test.”
Ten ostatni test, który zakończył się stopnieniem jednego rogu jednego z 16 naleśników, przyniósł bogactwo nowych informacji, mówi Hartwig. Po pierwsze, używali kilku różnych modeli obliczeniowych do projektowania i przewidywania wydajności różnych aspektów działania magnesu, a w większości przypadków modele zgadzały się w swoich ogólnych prognozach i były dobrze zweryfikowane przez serię testów i pomiarów w rzeczywistych warunkach. Jednak w przewidywaniu efektu zjawiska quench prognozy modeli się rozeszły, więc konieczne było uzyskanie danych eksperymentalnych w celu oceny ważności modeli.
„Modele o najwyższej wierności, które mieliśmy, przewidziały prawie dokładnie, jak magnes będzie się nagrzewał, do jakiego stopnia będzie się nagrzewał, gdy zacznie się przegrzewać, i gdzie będzie wynikające uszkodzenie magnesu,” mówi. Jak opisano szczegółowo w jednym z nowych raportów, „Ten test właściwie powiedział nam dokładnie, jaka fizyka miała miejsce, i powiedział nam, które modele były użyteczne w przyszłości, a które należy odłożyć na bok, ponieważ nie są prawidłowe.”
Whyte mówi: „W zasadzie zrobiliśmy najgorszą rzecz, jaką można zrobić cewce, celowo, po tym, jak przetestowaliśmy wszystkie inne aspekty wydajności cewki. I odkryliśmy, że większość cewki przetrwała bez uszkodzeń,” podczas gdy w jednym izolowanym obszarze wystąpiło pewne topnienie. „To jak kilka procent objętości cewki, które zostały uszkodzone.” I to doprowadziło do rewizji w projekcie, które mają zapobiec takim uszkodzeniom w rzeczywistych magnesach urządzenia do fuzji, nawet w najbardziej ekstremalnych warunkach.
Hartwig podkreśla, że głównym powodem, dla którego zespół był w stanie osiągnąć tak radykalny nowy projekt magnesu ustanawiającego rekordy, i zrobić to za pierwszym razem oraz w zawrotnym tempie, była głęboka wiedza, doświadczenie i sprzęt zgromadzone przez dziesięciolecia pracy tokamaku Alcator C-Mod, Laboratorium Magnesów Francisa Bittera oraz innych prac realizowanych w PSFC. „To dotyka sedna możliwości instytucjonalnych miejsca takiego jak to,” mówi. „Mieliśmy zdolności, infrastrukturę, przestrzeń i ludzi, aby robić te rzeczy pod jednym dachem.”
Współpraca z CFS była również kluczowa, mówi, z MIT i CFS łączącymi najpotężniejsze aspekty instytucji akademickiej i prywatnej firmy, aby robić rzeczy razem, których żadna z nich nie mogłaby zrobić samodzielnie. „Na przykład, jednym z głównych wkładów CFS było wykorzystanie siły prywatnej firmy do ustanowienia i skalowania łańcucha dostaw na niespotykaną dotąd skalę i w niespotykanym czasie dla najważniejszego materiału w projekcie: 300 kilometrów (186 mil) nadprzewodnika wysokotemperaturowego, który został pozyskany z rygorystyczną kontrolą jakości w mniej niż rok i zintegrowany zgodnie z harmonogramem w magnesie.”
Integracja dwóch zespołów, tych z MIT i tych z CFS, również była kluczowa dla sukcesu, mówi. „Myśleliśmy o sobie jako o jednym zespole, co umożliwiło nam zrobienie tego, co zrobiliśmy.”
