В предзавтра 5 сентября 2021 года инженеры достигли важной вехи в лабораториях Центра плазменной науки и синтеза (PSFC) MIT, когда новый тип магнита, изготовленный из сверхпроводящего материала высокой температуры, достиг мирового рекорда магнитного поля мощностью 20 Тесл для крупно Это интенсивность, необходимая для строительства термоядерной электростанции, которая, как ожидается, будет производить чистую выработку энергии и потенциально ввести эру практически безграничного производства энергии.
Испытание было сразу же объявлено успешным, поскольку оно отвечало всем критериям, установленным для разработки нового устройства термоядерного синтеза, получившего название SPARC, для которого магниты являются ключевой технологией. Шампанские пробки взорвались, когда усталая команда экспериментаторов, долго и упорно трудившиеся, чтобы достичь этого, праздновала свое достижение.
Но это был далеко не конец процесса. В течение последующих месяцев команда разорвала и осматривала компоненты магнита, тщательно изучала и анализировала данные сотен приборов, которые записывали детали испытаний, и провела два дополнительных теста на том же магните, в конечном итоге подтолкнув его до точки разрыва,
Все эти работы теперь кульминировали в подробном отчете исследователей из PSFC и дочерней компании MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS), опубликованном в коллекции шести рецензируемых статей в специальном выпуске марта Сделки IEEE по прикладной сверхпроводности - Я не знаю. В этих статьях описывается конструкция и изготовление магнита, а также диагностическое оборудование, необходимое для оценки его эффективности, а также уроки, извлеченные из этого процесса. В целом, как обнаружила команда, прогнозы и компьютерное моделирование были точными, подтверждая, что уникальные элементы дизайна магнита могут служить основой для термоядерной электростанции.
Создание практической термоядерной энергии
Успешное испытание магнита, говорит профессор инженерных наук Хитачи Америка Деннис Уайт, который недавно ушел с поста директора PSFC, было "самым важным, на мой взгляд, за последние 30 лет исследований синтеза".
До демонстрации 5 сентября лучшие доступные сверхпроводящие магниты были достаточно мощными, чтобы потенциально достичь энергии синтеза, но только при размерах и затратах, которые никогда не могли быть практичными или экономически жизнеспособными. Затем, когда испытания показали практическую эффективность такого сильного магнита при значительно уменьшенном размере, за одну ночь, это в основном изменило стоимость на ватт термоядерного реактора почти в 40 раз за один день, говорит Уайт.
Теперь у термоядерного синтеза есть шанс, добавляет Уайт. Токамаки, наиболее широко используемые конструкции для экспериментальных устройств термоядерного синтеза, имеют шанс, на мой взгляд, быть экономичными, потому что у вас есть квантовое изменение в вашей способности, с известными правилами физики заключения, о том, чтобы быть в состоянии значи
Всеобъемлющие данные и анализ из магнитного теста PSFC, подробно описанные в шести новых статьях, показали, что планы нового поколения термоядерных устройств разработанные MIT и CFS, а также аналогичные проекты других коммерческих термоядерных компаний основаны на
Прорыв в сверхпроводящей технологии
Фьюзия, процесс сочетания легких атомов для образования более тяжелых, питает солнце и звезды, но использование этого процесса на Земле оказалось сложной задачей, с десятилетиями тяжелой работы и многомиллиардами долларов, потраченных на экспериментальные устройства. Долгожданная, но пока не достигнутая цель - построить термоядерную электростанцию, которая будет производить больше энергии, чем потребляет. Такая электростанция может производить электричество без выбросов парниковых газов во время эксплуатации и генерировать очень мало радиоактивных отходов. Топливо от синтеза, форма водорода, которую можно получить из морской воды, практически безгранично.
Но для его работы необходимо сжимать топливо при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, и поскольку ни один известный материал не может выдержать таких температур, топливо должно удерживаться на месте чрезвычайно мощными магнитными полями. Для создания таких сильных полей требуются сверхпроводящие магниты, но все предыдущие синтетические магниты были изготовлены из сверхпроводящего материала, который требует холодной температуры около 4 градусов выше абсолютного нуля (4 кельвина, или -270 градусов по Цельсию). В последние несколько лет к синтетическим магнитам был добавлен новый материал под названием REBCO, для редкоземельного оксида бария и меди, и он позволяет им работать при температуре 20 кельвинов, температура, которая, несмотря на то, что она на 16 кельвинов теплее, приносит значи
Использование этого нового материала с более высокой температурой сверхпроводимости не было просто вопросом его подстановки в существующие конструкции магнитов. Вместо этого, «это был пересмотр практически всех принципов, которые вы используете для создания сверхпроводящих магнитов», говорит Уайт. Новый материал REBCO «чрезвычайно отличается от предыдущего поколения сверхпроводников. Вы не просто адаптируете и заменяете, вы на самом деле инновируете с нуля». Новые статьи Сделки по применению сверхпроводности описывают детали этого процесса перепроектирования, теперь когда патентная защита установлена.
Ключевое нововведение: отсутствие изоляции
Одним из самых ярких новшеств, которое заставило многих скептически относиться к шансам на успех, было устранение изоляции вокруг тонких, плоских лент сверхпроводящей ленты, которая формировала магнит. Как и практически все электрические провода, обычные сверхпроводящие магниты полностью защищены изоляционным материалом, чтобы предотвратить короткое замыкание между проводами. Но в новом магните лента была полностью обнажена; инженеры полагались на гораздо большую проводимость REBCO, чтобы поддерживать ток, протекающий через материал.
"Когда мы начали этот проект, скажем, в 2018 году, технология использования сверхпроводников высокой температуры для создания магнитов с высоким полем в больших масштабах была в зачаточном состоянии", - говорит Зак Хартвиг, профессор развития карьеры Роберта Н. Нойса в кафедре ядер Хартвиг является одним из руководителей группы инженеров, которая возглавляла проект по разработке магнитов. Современное состояние техники заключалось в небольших экспериментах на скамейке, которые не представляли собой то, что нужно для создания чего-то полного размера. Наш проект по разработке магнитов начался в масштабе на скамейке и завершился в полном масштабе за короткое время, добавляет он, отмечая, что команда построила магнит весом 20 000 фунтов, который производил стабильное, равномерное магнитное поле чуть более 20 Тесл, намного больше любо
Стандартный способ создания этих магнитов заключается в том, что вы накручиваете проводник и у вас есть изоляция между обмотками, и вам нужна изоляция для борьбы с высокими напряжениями, которые генерируются во время ненормальных событий, таких как от Устранение слоев изоляции, говорит он, имеет преимущество быть низковольтным устройством. Это значительно упрощает процессы и график изготовления. Это также оставляет больше места для других элементов, таких как больше охлаждения или больше структуры для прочности.
Магнитная установка - это немного меньшая версия тех, которые будут формировать камеру в форме пончика в устройстве СПАРК, которое сейчас строится CFS в Девенсе, штат Массачусетс. Он состоит из 16 пластинок, называемых блинами, каждая из которых имеет спиральную обмотку сверхпроводящей ленты с одной стороны и каналы охлаждения гелийного газа с другой.
Но дизайн без изоляции считался рискованным, и многое зависело от программы испытаний. "Это был первый магнит в достаточном масштабе, который действительно проанализировал, что включается в проектирование, строительство и испытание магнита с помощью так называемой технологии без изоляции и без изгиба", - говорит Хартвиг. Общество было очень удивлено, когда мы объявили, что это изоляция.
Достаточно, чтобы дойти до предела... и даже дальше.
Первоначальное испытание, описанное в предыдущих статьях, доказало, что процесс проектирования и производства не только работал, но и был очень стабильным - что некоторые исследователи сомневались. Следующие два испытания, также проведенные в конце 2021 года, затем подтолкнули устройство к пределам, намеренно создав нестабильные условия, включая полное отключение поступающей энергии, что может привести к катастрофическому перегреву. Это называется "затуханием", и считается худшим сценарием для работы таких магнитов, с потенциалом уничтожения оборудования.
Часть задачи программы испытаний, говорит Хартвиг, заключалась в том, чтобы "взорваться и намеренно погасить магнит полного масштаба, чтобы мы могли получить критические данные в нужном масштабе и при правильных условиях для продвижения науки, для проверки кодов проектирования, а затем разобрать маг
Последнее испытание, которое закончилось таянием одного из 16 блинов, принесло множество новых данных, говорит Хартвиг. Во-первых, они использовали несколько различных вычислительных моделей для проектирования и прогнозирования производительности различных аспектов производительности магнита, и по большей части модели соглашались в своих общих прогнозах и были хорошо проверены серией тестов и измерений в реальном мире. Но при прогнозировании эффекта тушения предсказания модели расходились, поэтому было необходимо получить экспериментальные данные для оценки действительности моделей.
В самых высококачественных моделях мы почти точно предсказывали, как магнит нагревается, в какой степени он нагревается, когда начинает гасить, и где будет повреждение магнита, говорит он. Как подробно описано в одном из новых докладов, Этот тест фактически рассказал нам точно, что происходит в физике, и он сказал нам, какие модели будут полезны в будущем, а какие оставить в стороне, потому что они не правильные.
Уайт говорит: "В основном мы сделали наихудшее, что возможно, с катушкой, специально, после того, как мы протестировали все другие аспекты производительности катушки. И мы обнаружили, что большая часть катушки выжила без повреждений, в то время как одна изолированная область немного растаяла. Это всего лишь несколько процентов от объема катушки, которая была повреждена. И это привело к пересмотру конструкции, которая, как ожидается, предотвратит такое повреждение магнитов на самом устройстве синтеза, даже в самых экстремальных условиях.
Хартвиг подчеркивает, что одной из основных причин, по которой команда смогла создать такой радикальный новый рекордный магнит, и сделать это правильно с самого первого раза и в сложном графике, было благодаря глубокому уровню знаний, опыта и оборудования, накопленного за десятилетия работы токамака "Это идет в основу институциональных возможностей такого места", - говорит он. У нас были возможности, инфраструктура, пространство и люди, чтобы делать все это под одной крышей.
Он говорит, что сотрудничество с CFS также было ключевым, MIT и CFS объединили самые мощные аспекты академического учреждения и частной компании, чтобы сделать вместе то, что ни один из них не мог бы сделать самостоятельно. Например, одним из основных вкладов CFS было использование возможностей частной компании для создания и расширения цепочки поставок на беспрецедентном уровне и сроке для самого важного материала в проекте: 300 километров (186 миль) высокотемпературного сверхпроводника, который был приоб
Он говорит, что интеграция двух команд, MIT и CFS, также была решающей для успеха. Мы думали о себе как о одной команде, и это позволило нам сделать то, что мы сделали.
