V predsvitoch 5. septembra 2021 dosiahli inžinieri v laboratóriách MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) veľký milník, keď nový typ magnétu, vyrobený z materiálu s vysokotemperatúrnym supervedením, dosiahol svetový rekord intenzity magnetického poľa 20 tesla pre veľkomerový magnét. Toto je intenzita potrebná na zostavenie fúznej elektrárne, ktorá by mala generovať čistú produkciu elektriny a možno otvoriť era prakticky neobmedzeného výroby energie.
Test bol okamžite ohlasený za úspech, pretože spĺňal všetky kritériá stanovené pre návrh nového fúziového zariadenia, ktorému bolo pridelené meno SPARC, pre ktoré sú magnety kľúčovou povolujúcou technológiou. Špenátové korene sa rozprskli, keď unavený tím experimentátorov, ktorí tvrdo pracovali na dosiahnutí tohto úspechu, oslavovali svoje dosahnutie.
Ale to bola ďaleko od konca procesu. V nasledujúcich mesiacoch tím rozbehol a inspiroval komponenty magneta, preskúmal a analyzoval dáta zo stoviek nástrojov, ktoré zaznamenali podrobnosti testov, a vykonali dve ďalšie sériovy testy na tom istom magnete, nakoniec ho strčili do bodu prerušenia, aby sa naučili podrobnosti akýchkoľvek možných spôsobov zlyhania.
Všetka táto práca sa teraz uzavŕšila podrobnou správou od výskumníkov z PSFC a spoločnosti Commonwealth Fusion Systems (CFS), spin-offu MIT, publikovanou v zbierke šiestich recenzovaných článkov v špeciálnej sérii májneho čísla IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Spolu popisujú návrh a výrobu magnétu a diagnostického vybavenia potrebného na posudzovanie jeho výkonu, ako aj ponaučenia získané z procesu. Celkovo tímovia zistenie bolo, že predpovede a počítačové modelovanie boli presné, čo potvrdilo, že jedinečné dizajnové prvky magnétu môžu slúžiť ako základ pre elektrárňu na fúzii.
Umožňovanie praktickej fúznej energie
Úspešná trieda magnétu, hovorí profesor inžinierskej disciplíny Dennis Whyte z Hitachi America, ktorý nedávno odstúpil z funkcie riaditeľa PSFC, bola „podľa mňa najdôležitejšou vecou v posledných 30 rokoch výskumu fúzie“.
Pred demonštráciou 5. septembra boli najlepšie dostupné supervéľké magnety postačujúce na dosiahnutie fúznej energie - ale len za cenu a veľkosť, ktorá nemohla byť praktická alebo ekonomicky viable. Potom, keď testy ukázali praktickosť takého silného magneta v mnohem menšej veľkosti, "za jednu noc to zásadne zmenilo náklady za watt fúzneho reaktora asi o faktor 40 za jeden deň", povedal Whyte.
„Teraz má fúzia šancu“, pridá Whyte. Tokamaky, najrozšírenejší dizajn pre experimentálne fúzne zariadenia, „podľa môjho názoru majú šancu byť ekonomické, pretože máte kvantovú zmenu vo svojej schopnosti, s známymi pravidlami fyziky úradnice, o tom, ako môžete významne znížiť veľkosť a náklady objektov, ktoré urobia fúziu možnou.“
Úplné dáta a analýza z testu magnétovej stanice PSFC, ako sú podrobnne popsané v šiestich nových článkoch, ukázali, že plány na novú generáciu fúznych zariadení – toho navrhovaného MIT a CFS, ako aj podobné dizajny od iných komerčných spoločností pracujúcich na fúzii – sú postavené na pevnom vedeckom základe.
Prelom v oblasti supervedúcich materiálov
Fúzia, proces spojovania ľahkých atómov na tvorbu ťažších, poskytuje energiu Slnku a hviezdam, ale dosiahnutie tohto procesu na Zemi sa ukázalo byť náročnou úlohou, s desiatkami rokov tvrdej práce a miliardami dolárov investovanými do experimentálnych zariadení. Dlhodobo hľadaný, avšak dosiaľ nedosiahnutý cieľ je postaviť fúznu elektrárnu, ktorá vyprodukuje viac energie, než spotrebuje. Takáto elektrárna by mohla vyrábajť elektroenergiu bez emisií skleníkových plynov počas prevádzky a vytvárať veľmi málo jadrovej odpadu. Palivo pre fúziu, forma vodíka, ktorá môže byť odvodnená z mořskej vody, je prakticky nevyčerpatelné.
Avšak na to, aby to fungovalo, je potrebné stlačiť palivo v neobyčajne vysokých teplotách a tlakoch, a keďžto žiadny známy materiál nepreviažde také teploty, palivo musí byť udržiavané na mieste extrémne silnými magnetickými poľami. Vyrobenie tak silných poľa vyžaduje superprevodné magnety, ale všetky predchádzajúce fúzne magnety boli vyrobené z superprevodného materiálu, ktorý vyžaduje nízke teploty približne 4 stupne nad absolútnou nulou (4 kelviny, alebo -270 stupňov Celsia). V posledných rokoch bola do fúznych magnetov pridaná novšia látky nazývaná REBCO, krátka forma rearth barium copper oxide, ktorá im umožňuje pracovať pri 20 kelvinov, čo je teplota, ktorá napriek tomu, že je len o 16 kelvinov vyššia, prináša významné výhody v súvislosti so vlastnosťami materiálov a praktickým inžinierskym riešením.
Využitie tejto novej vysoerotnovej supervévodivej materiály nebolo jednoduché nahradenie v stávajúcich dizajnoch magnetov. Namiesto toho, „bolo to prepracovanie skoro všetkých princípov, ktoré používate na budovanie supervévodivých magnétov,” hovorí Whyte. Nová REBCO materiál je „nekonečne odlišná od predchádzajúceho pokolenia supervévodivcov. Nejde len o prispôsobenie a nahradenie, ale skutočne o inováciu od nuly.” Články v Transakcie o aplikovanej superprevodnosti popisujú podrobnosti tohto procesu redesignu, teraz keď je patentová ochrana na mieste.
Kľúčová inovácia: bez izolácie
Jednou z dramatíckych inovácií, ktorá mnohých v oblasti spochybňovala jej šance na úspech, bola elimínacia izolácie okolo tenkých, plochých pásov supervodiacej páske, ktoré tvorili magnet. Podobne ako u prakticky všetkých elektrických drôtov sú konvenčné supervodiace magnety úplne chránené izolačným materiálom, aby sa predišlo krátociu medzi drôtmi. V novom magnete však bola páska úplne nechránená; inžinieri spoliehali na oveľa väčšiu vodivosť REBCO, aby sa zabezpečil tok prúdu cez materiál.
„Keď sme začali tento projekt, povedzme v roku 2018, technológia používania vysokoteplárnych superprevodníkov na výrobu veľkomerých magnétov so silným poľom bola ešte v úplnej pomlade,“ povedal Zach Hartwig, Robert N. Noyce Career Development Professor na oddelení jadrovej vedy a inžinierstva. Hartwig má spoločné pridelenie na PSFC a je šéfom jeho inžinierskej skupiny, ktorá vedla vývoj magnétov. „Stav umenia bol malé laboratórne experimenty, ktoré neboli vôbec reprezentatívne pre to, čo je potrebné na zostavenie plnohodnotného systému. Náš vývojový projekt magnétov sa začal na laboratórnom úrovni a skončil v plnej mierke v krátkom čase,“ pridal, zvyšujúc pozornosť na fakt, že tímovi sa podarilo postaviť magnét vážny 20 000 libier, ktorý vyprodukoval ustálené, rovnomerné magnetické pole o sile viac než 20 tesiel – ďaleko za hranicami toho, čo kedy bolo vyprodukované v takom rozsahu.
„Štandardný spôsob, ako postaviť tieto magnety, je, že by ste namotali vodič a medzi namotaniami by ste mali izoláciu, a potrebná je izolácia na riešenie vysokých napätí, ktoré vznikajú počas neštandardných udalostí, ako je vypnutie.“ Zrušenie vrstiev izolácie, hovorí, „má výhodu nízkeho napätia. Veľmi zjednodušuje výrobné procesy a plán.“ To tiež uvoľňuje viac miesta pre ďalšie prvky, ako sú lepšie ochladenie alebo viac štruktúry na pevnosť.
Montáž magnetu je trochu menšieho rozmeru ako tie, ktoré sa stanú donutovitou komorou fusijného zariadenia SPARC, ktoré sa momentálne staví spoločnosťou CFS v Devens, Massachusetts. Skladá sa z 16 platiek, nazývaných pancake, každá s namotaním superprevodného pásu na jednej strane a chodbičkami na chlazenie heliovým plynom na druhej strane.
Avšak dizajn bez izolácie bol považovaný za rizikový a na vyskúšaciu činnosť bolo položené veľa nádejí. „Toto bol prvý magnét v dostatočne veľkom mierke, ktorý skutočne prehĺadal, čo zahŕňa navrhovanie, budovanie a testovanie magnéty s takzvanou technológiou bez izolácie a bez krútenia“, povedal Hartwig. „Bolo to veľmi presadivé pre komunitu, keď sme oznámili, že ide o spirálku bez izolácie.“
Ťaženie po limite … a viac
Počiatočný test, popísaný v predchádzajúcich článkoch, dokázal, že dizajn a proces výroby nefungujú len, ale sú aj vysoce stabilné – niečo, čo niektorí výskumníci pochybovali. Nasledujúce dve sériové testy, tiež uskutočnené v konca roku 2021, potom zašli až po limit, keď úmyselne vytvorili nestabilné podmienky, vrátane úplného vypnutia prichádzajúcej energie, čo môže spôsobiť katastrofálne prehriatie. Tento proces, známy ako quenching, je považovaný za najhoršiu možnú situáciu pri prevádzke takýchto magnétov, s potenciálom ničenia zariadenia.
Časť misie testovacieho programu, hovorí Hartwig, bola „v skutočnosti odísť a úmyselne vypáliť plnomierne magnet, aby sme mohli získať kritické dáta v správnom mierke a v správnych podmienkach na posunutie vedci, na overenie návrhových kódov a potom rozbeštit magnet a uvidieť, čo sa pokazilo, prečo sa to pokazilo, a ako sa dostaneme ku ďalšej iterácii s cieľom to napraviť. … Bolo to veľmi úspešné testovanie.“
Posledný test, ktorý skončil tavením jedného rohu jednej z 16 palačiek, podľa Hartwiga priniesol bohatstvo nových informácií. Najmä to, že používali niekoľko rôznych výpočtových modelov na návrh a predpovedanie výkonu rôznych aspektov výkonu magnéta a za najväčšiu časť sa zhodli vo svojich celkových predpovediach a boli dobre overené sériou testov a meraní v praxi. Avšak pri predpovedi účinku vyprahnutia sa rozchádzali predpovede modelov, takže bolo potrebné získať experimentálne dáta na overenie platnosti týchto modelov.
„Modely s najvyššou dôvernosťou, ktoré sme mali, predpovedali takmer presne, ako by sa magnét zahriaval, o aký stupeň by sa zahriaval pri začiatku vypnutia a kde by nastala poškodenie magnéta,” povedal. Ako je podrobne popísané v jednom z nových správ: „Tento test nám skutočne ukázal presne fyziku, ktorá sa deje, a ukázal nám, ktoré modely sú užitočné ďalej a ktoré treba opustiť, pretože nie sú správne.”
Whyte povie: „Zásadne sme urobili najhoršiu vec možnú s omotom, úmyselne, po tom, čo sme otestovali všetky ostatné aspekty výkonu omota. A zistili sme, že väčšina omota prežila bez poškodení,” kým izolovaná oblasť utrpela niektoré zústupenie. „Je to ako pár percent objemu omota, ktoré bolo poškodené.” A to vedlo ku zmienam v dizajne, ktoré by mali zabrániť takému poškodeniu v skutočných fúznych zariadeniach, aj pri najextrémnejších podmienkach.
Hartwig zdôrazňuje, že hlavnou príčinou, prečo tímu sa podarilo dosiahnuť tak radikálny nový rekordný magnetický dizajn a spraviť to správne už pri prvom pokuse a na neuvärlivom harmonograme, boloďakovi hlbokému stupňu poznatkov, odbornosti a vybavenia, ktoré sa nahromadili po desaťročiach prevádzky tokamaku Alcator C-Mod, Francis Bitter Magnet Laboratory a iných prací vykonaných v PSFC. „Toto sa týka základných schopností organizácie ako táto,” povedal. „Mali sme kapacitu, infraštruktúru, priestor a ľudí na vykonávanie týchto vecí pod jednou strelou.“
Spolupráca s CFS bola tiež kľúčová, povedal, keď sa MIT a CFS spojili v najmocnejších aspektoch akadémneho ústavia a súkromnej spoločnosti, aby spolu robili veci, ktoré by neboli mohli urobiť samostatne. „Napríklad jedným z hlavných príspevkov CFS bol využitok síly súkromnej spoločnosti na vybudovanie a škálovanie dodávateľského reťazca na neobvyklú úrovňu a časový rámec pre najkritičnejší materiál v projekte: 300 kilometrov (186 mil) vysoko-temperatúrnych supervedúcich, ktoré boli získané s prísnym kontalom kvality menej ako za rok a integrované do magneta podľa plánu.“
Integrácia oboch tímov, tých z MIT a tých z CFS, bola tiež kľúčová pre úspech, povedal. „Považovali sme sa za jeden tím, a to nám umožnilo urobiť to, čo sme urobili.“
