În orele dinainte de zori ale zilei de 5 septembrie 2021, inginerii au atins un里程碑major în laboratoarele Centrului de Știința Plasmei și Fuziunii din MIT, când un tip nou de imn, realizat dintr-un material superconductor la temperaturi ridicate, a atins o putere de câmp magnetic record mondial de 20 tesla pentru un imn pe scară largă. Acesta este intensitatea necesară pentru a construi o centră cu fuziune care se așteaptă să producă o ieșire netă de energie și care ar putea deschide calea spre o eră de producție de energie practic nelimitată.
Testul a fost imediat declarat un succes, având în vedere că a îndeplinit toate criteriile stabilite pentru proiectarea dispozitivului de fuziune nou, denumit SPARC, pentru care magnetii sunt tehnologia cheie care permite realizarea acestuia. Capșurile de şampanie au fost deschise când echipa obosită de experimentatori, care s-au străduit mult și greu pentru a face posibil această realizare, s-au bucurat de succesul lor.
Dar aceasta a fost departe de a fi sfârșitul procesului. Pe parcursul următoarelor luni, echipa a desființat și inspectat componente ale magnetului, a analizat datele provenite de la sute de instrumente care au înregistrat detaliile testelor, și a efectuat două rulari suplimentare de teste pe același magnet, ajungând în cele din urmă să-l poarte până la punctul de ruptură pentru a afla detalii despre orice posibile moduri de eșec.
Toate aceste lucrări au culminat acum într-un raport detaliat realizat de cercetători la PSFC și compania derivată a MIT, Commonwealth Fusion Systems (CFS), publicat într-o colecție de șase articole evaluare prin pereche dintr-o ediție specială a numărului din martie al IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Împreună, lucrările descriu proiectarea și fabricarea magnetului și a echipamentelor de diagnostic necesare pentru a evalua performanța acestuia, precum și lecțiile învățate din proces. În ansamblu, echipa a constatat că predicțiile și modelarea pe calculator au fost exacte, verificând faptul că elementele unice de design ale magnetului ar putea să servească drept bază pentru o centrale electrică cu fuziune.
Permite implementarea practică a energiei cu fuziune
Testarea cu succes a magnetului, spune profesorul Hitachi America Dennis Whyte, care a renunțat recent la postul de director al PSFC, a fost „cea mai importantă chestiune, în opinia mea, din ultimii 30 de ani de cercetare a fuziunii”.
Înainte de demonstrația din 5 septembrie, cele mai bune magneturi supraconductoare disponibile erau suficient de puternice pentru a putea obține energia de fuziune — dar doar la dimensiuni și costuri care nu ar fi fost niciodată practice sau economice. Apoi, când testele au arătat practicabilitatea unui asemenea magnet puternic la o dimensiune mult mai mică, „dintr-o zi în alta, aceasta a schimbat practic costul pe watt al unui reator de fuziune cu un factor de aproape 40 într-o singură zi”, spune Whyte.
„Acum fuziunea are o șansă”, adaugă Whyte. Tokamak-urile, cel mai răspândit design pentru dispozitivele experimentale de fuziune, „au o șansă, în opinia mea, de a fi economice deoarece ai o schimbare radicală în abilitatea ta, cu regulile fizicii cunoscute privind confinamentul, de a reduce semnificativ dimensiunea și costul obiectelor care ar putea să facă posibilă fuziunea”.
Datele comprehensive și analiza din testul de magnet al PSFC, așa cum sunt detaliate în cele șase noi articole, au demonstrat că planurile pentru o nouă generație de dispozitive de fuziune - cel proiectat de MIT și CFS, precum și alte proiecte similare ale altor companii comerciale de fuziune - sunt construite pe o bază solidă în știință.
Înfruntarea superconductivă
Fuziunea, procesul prin care se combina atomi ușori pentru a forma alții mai grei, alimentează soarele și stelele, dar săptămâna acesteia pe Pământ s-a dovedit a fi o provocare enormă, cu decenii de muncă dificilă și miliarde de dolari cheltuiți pe dispozitive experimentale. Scopul căutat de mult timp, dar niciodată încă atins, este de a construi o centră electrică de fuziune care să producă mai multă energie decât consumă. O astfel de centră ar putea produce electricitate fără a emite gaze cu efect de seră în timpul funcționării, și generând foarte puțin deșeuri radioactive. Combustibilul pentru fuziune, o formă de hidrogen care poate fi derivată din apa de mare, este practic nelimitat.
Dar să funcționeze necesită comprimarea combustibilului la temperaturi și presiuni extrem de mari, iar deoarece niciun material cunoscut nu poate rezista la asemenea temperaturi, combustibilul trebuie ținut în loc cu câmpuri magnetice extrem de puternice. Producerea acestor câmpuri puternice necesită magnete superconductoare, dar toate magnetele anterioare pentru fuziune au fost fabricate dintr-un material superconductor care necesită temperaturi ghețărele de aproximativ 4 grade peste zero absolut (4 kelvini sau -270 de grade Celsius). În ultimii ani, un material mai nou denumit REBCO, abreviere pentru oxid de bariu-cupru-rară-teră, a fost adăugat magnetelor de fuziune, permițându-le să opereze la 20 de kelvini, o temperatură care, deși este doar cu 16 de kelvini mai caldă, aduce avantaje semnificative în ceea ce privește proprietățile materialelor și ingineria practică.
Exploatarea acestei noi materiale supraconductoare cu temperatură mai ridicată nu a fost doar o chestiune de substituire în proiectele existente ale magnetelor. În schimb, „a fost o reconstituire de la zero a aproape tuturor principiilor pe care le folosești pentru a construi magneti supraconductorii”, spune Whyte. Noul material REBCO este „extraordinar diferit față de generația anterioară de supraconductori. Nu vei adapta și înlocui, ci de fapt vei inova de la zero.” Noile articole din Tranzacții privind Superconductivitatea Aplicată descriu detaliile procesului de redesenare, acum când protecția brevetelor este în loc.
Inovație cheie: fără izolare
Una dintre inovațiile dramatice, care a făcut ca mulți alții din domeniu să fie sceptici în ceea ce privește șansele sale de succes, a fost eliminarea izolării în jurul coardelor subțiri și plătite de bandă superconductoare care forma magnetul. Precum aproape toate firurile electrice convenționale, magnetii superconducitori obișnuiți sunt complet protejați prin material izolant pentru a preveni scurtele electrice între fire. Dar în noul magnet, banda era lăsată complet neacoperită; inginerii s-au bazaș pe conductivitatea mult mai mare a REBCO-ului pentru a menține curentul curgând prin material.
„Când am început acest proiect, să zicem în 2018, tehnologia folosirii supraconductoarelor la temperaturi ridicate pentru a construi magneturi de câmp puternic la scară largă era în infanță”, spune Zach Hartwig, Professor de Dezvoltare Robert N. Noyce în Departamentul de Știință Nucleară și Inginerie. Hartwig are o nomina paralelă la PSFC și este șeful grupului său de inginerie, care a condus proiectul de dezvoltare al magnetului. „Starea artei era reprezentată de experimente mici pe bancă de lucru, nu prea reprezentative pentru ceea ce este necesar pentru a construi ceva la scară întreagă. Proiectul nostru de dezvoltare a magnetului a început la scară mică pe bancă de lucru și a ajuns la scară întreagă într-un timp scurt”, adaugă el, subliniind că echipa a construit un magnet de 20.000 de pounduri care a produs un câmp magnetic stabil și uniform de puțin peste 20 tesle - mult mai departe decât orice alt câmp similar produs vreodată la scară largă.
„Modul standard de a construi aceste magneturi este să înfășori conductorul și să ai izolare între înfășurări, iar izolarea este necesară pentru a face față tensiunilor ridicate care sunt generate în timpul evenimentelor anormale, cum ar fi o oprire.” Eliminarea stratelor de izolare, spune el, „are avantajul de a fi un sistem cu tensiune redusă. Simplifică în mod semnificativ procesele de fabricație și programul.” Lasă, de asemenea, mai mult spațiu pentru alte elemente, cum ar fi mai mult răcire sau mai multă structură pentru rezistență.
Montajul magnetului este o versiune la scară puțin mai mică a celor care vor forma camera în formă de ciobanescă a dispozitivului de fuziune SPARC, care se construiește acum de către CFS în Devens, Massachusetts. Acesta constă din 16 plăci, numite pancake-uri, fiecare având o înfășurare spirală a nămolului supraconductoare pe una dintre părți și canale de răcire pentru gazul helium pe cealaltă parte.
Cu toate acestea, design-ul fără izolare a fost considerat risicos, iar multe speranțe erau legate de programul de testare. „Acesta a fost primul magnet la orice scară suficient de mare care a explorat ceea ce implică proiectarea, construirea și testarea unui magnet cu această tehnologie numită fără izolare și fără rotație”, spune Hartwig. „A fost o surpriză totală pentru comunitate când am anunțat că este un bobină fără izolare.”
Condușe până la limită... și mai departe
Testul inițial, descris în lucrări anterioare, a dovedit că proiectarea și procesul de fabricație nu numai că funcționează, dar sunt de asemenea foarte stabil - ceva la care unele cercetători au îndoieli. Cele două teste următoare, efectuate și ele la sfârșitul anului 2021, au dus dispozitivul la limită prin crearea intenționată a condițiilor instabile, inclusiv printr-o oprire completă a alimentării cu energie electrică, care poate duce la o supraîncălzire catastrofală. Cunoscut sub numele de „descarcare”, acest lucru este considerat scenariul cel mai nefavorabil pentru funcționarea acestor magnete, cu potențialul de a distruge echipamentele.
Parte din misiunea programului de testare, spune Hartwig, a fost „să ne ducem de fapt să provocăm intenționat stinguirea unui magnet la scară întreagă, astfel încât să obținem date critice la scară corectă și în condiții potrivite pentru a avansa știința, pentru a valida codurile de proiectare, și apoi să desfacem magnetul și să vedem ce s-a stricat, de ce s-a stricat, și cum să facem următoarea iterație spre a rezolva această problemă. … A fost un test foarte reușit.”
Ultimul test, care s-a încheiat cu topirea unui colț al unei tigăni dintre cele 16, a generat o cantitate mare de informații noi, spune Hartwig. Pentru un lucru, ei foloseau mai multe modele computaționale diferite pentru a proiecta și anticipa performanța diferitelor aspecte ale performanței magnetului, și în mare parte, modelele erau de acord în privința predicțiilor lor generale și au fost bine validate de seria de teste și măsurători din lumea reală. Dar în ceea ce privește prevederea efectului de dezarcare, predicțiile modelului divergeau, astfel că a fost necesar să se obțină date experimentale pentru a evalua validitatea modelelor.
„Modelele cu cea mai mare fidelitate pe care le-am avut au prevăzut aproape exact cum s-ar încălzi magneta, până la ce grad s-ar încălzi în timp ce începe să se scurgă curentul, și unde ar fi daunele rezultate magnetei,” spune el. Așa cum este descris în detaliu în una dintre rapoarte noi, „Această probă ne-a arătat exact fizica care avea loc, și ne-a arătat care modele erau utile spre urma și care să le lăsăm pe margine pentru că nu sunt corecte.”
Whyte spune, „Dezvoltând practic cel mai rău scenariu posibil pentru o bobină, după ce am testat toate celelalte aspecte ale performanței acesteia. Și am constatat că majoritatea bobinei a supraviețuit fără daune,” în timp ce o zonă izolată a suferit un anumit nivel de topire. „Este ca și cum doar câteva procente din volumul bobinei au fost afectate.” Și acest lucru a dus la modificări în design-ul care se așteaptă să prevină astfel de daune în magnetii dispozitivului de fuziune real, chiar și în cele mai extreme condiții.
Hartwig subliniază că un motiv principal pentru care echipa a reușit să realizeze un design atât de inovator al unui iman care stabilește un nou record, să îl facă corect din prima oară și pe un program foarte accelerat, a fost datorită nivelului profund de cunoștințe, experțize și echipamente acumulate pe decenii de funcționare a tokamak-ului Alcator C-Mod, Laboratorului de Imante Francis Bitter și altor lucrări desfășurate la PSFC. „Aceasta ajunge la inima capacităților instituționale ale unui loc ca acesta”, spune el. „Am avut posibilitatea, infrastructura, spațiul și oamenii să facem aceste lucruri sub același acoperiș.”
Colaborarea cu CFS a fost de asemenea crucială, spune el, cu MIT și CFS combinând cele mai puternice aspecte ale unei instituții academice și ale unei companii private pentru a face lucruri împreună pe care niciuna dintre ele nu le-ar fi putut face singură. „De exemplu, una dintre contribuțiile majore ale CFS a fost să exploateze puterea unei companii private pentru a stabili și a amplifica o lanț de aprovizionare la un nivel fără precedent și un termen limită pentru materialul cel mai critic din proiect: 300 de kilometri (186 mile) de supraconductor la temperaturi ridicate, care au fost achiziționate cu un control riguros al calității în mai puțin de un an și integrate conform programului în magnet.”
Integrarea celor două echipe, acelelor de la MIT și acelelor de la CFS, a fost de asemenea esențială pentru succes, spune el. „Ne-am gândit ca pe o singură echipă, și asta ne-a permis să facem ceea ce am făcut.”
