V urah pred zorem 5. septembra 2021 so inženirji v laboratorijih MITovega Centra za plazmensko znanost in fuzijo (PSFC) dosegli pomemben miljem, ko je nov tip magneta, izdelan iz visoko temperaturnega superprovodniškega materiala, dosegel svetovni rekord moči magnetnega polja 20 tesla za velikostni magnet. To je moč, ki jo potrebuje fuzijska elektrarna, ki naj bi proizvajala neto izhodno moč in potencialno uvedla obdobje skoraj neomejenega proizvodnega procesa energije.
Test je takoj po izvedbi bil razglasjen za uspešen, saj je izpolnil vse kriterije, določene za oblikovanje novega naprave za fuzijo, imenovane SPARC, katerega ključna omogočujoča tehnologija so magneti. Čeprav je ekipa eksperimentatorjev, ki je dolgo in trdo delala, da bi dosegli ta dosežek, praznovala svoje doseganje z zaklepovanjem šampanjskih kok.
Vendar pa je to bilo daleč od konca procesa. V naslednjih mesecih je ekipa razcepila in preučila komponente magnetskega sistema, pregledala in analizirala podatke iz sto instrumentov, ki so zabeležili podrobnosti testov, ter izvedla še dva dodatna serija testov na istem magnetu, končno pa ga je pognala do točke poraza, da bi ugotovili podrobnosti katerih koli morebitnih oblik neuspeha.
Vse to delo je zdaj doseglo vrhunec v podrobnem poročilu raziskovalcev PSFC in MIT-jevega podjetja Commonwealth Fusion Systems (CFS), objavljenega v zbirki šestih strokovnih člankov v posebni izdaji IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Skupaj opisujeta papirja načrtovanje in izdelavo magnetskega sistema ter diagnostičnega opreme, ki je potrebna za vrednotenje njegove učinkovitosti, ter tudi izkušnje, pridobljene iz procesa. Skupno so sklepali, da so bili napovedi in računalniško modeliranje popolnoma točne, kar potrjuje, da lahko edinstveni načrt elementov magnetskega sistema služi kot osnova za elektrarno z fuzijo.
Omogočanje praktične fuzije moči
Uspešno testiranje magnetskega sistema, pravi Dennis Whyte, profesor inženiringa Hitachi America, ki se je nedavno umaknil s področja direktorja PSFC, bil "najpomembnejši dogodek, po mojem mnenju, v zadnjih 30 letih raziskav fuzije".
Pred predstavitvijo 5. septembra so bili najboljši dostopni superprovodni magneti močni dovolj, da bi lahko dosegle fuzijsko energijo — vendar le pri velikostih in stroških, ki bi nikoli niso bili praktični ali gospodarsko upravičeni. Nato, ko so testi pokazali praktičnost takega močnega magnetskega polja pri znatno manjši velikosti, je Whyte povedal: „V enem dnevu se skoraj za 40-krat spremenil strošek na watt fuzijskega reaktorja.“
„Zdaj ima fuzija možnost,“ dodaja Whyte. Tokamaki, najbolj široko uporabljani zaslon za poskusne fuzijske naprave, „po mojem mnenju imajo možnost biti gospodarsko učinkoviti, ker imate kvantitativno spremembo v svoji zmogljivosti, s poznanimi pravili fizike zapiranja, o tem, kako lahko znatno zmanjšate velikost in stroške objektov, ki bi omogočili fuzijo.“
Obsežni podatki in analiza iz testa magnetskega sistema PSFC, kot so podrobno opisani v šestih novih razpravah, sta pokazala, da so načrti za novo generacijo fuzijskih naprav – tistega, ki ga je zasnoval MIT in CFS, ter podobnih načrtov drugih komercialnih fuzijskih družb – zgrajeni na pevnem znanstvenem temelju.
Preboj v superprovodnikih
Fuzija, postopek združevanja hudičastih atomov v težjše, omogoča energijo Sonca in zvezd, vendar se je izkoriščanje tega procesa na Zemlji izkazalo za ogromno izzivo. Na poskusnih napravah je bilo porabljenih desetletij truda in mnogih milijard dolarjev. Dolgo časa iskana, a še vedno nedosegljiva, cilj je gradnja fuzijske elektrarne, ki proizvede več energije, kot jo potroši. Taka elektrarna bi lahko proizvajala elektroenergijo brez emisij toplogrednih plinov med delovanjem in ustvarjala zelo malo radioaktivnega odpadka. Gorivo za fuzijo, oblika vodika, ki jo je mogoče izpeljati iz morjeve vode, je praktično neomejeno.
Vendar pa za delovanje potrebuje stisk goriva pri izjemno visokih temperaturah in tlakih, in saj noben znani material ne more izdržati takšnih temperatur, mora biti gorivo obdržano z izjemno močnimi magnetnimi polji. Proizvodnja takšno močnih polj zahteva superprevodne magneze, vendar so vsi prejšnji fuzijski magneti bili izdelani iz superprevodnega materiala, ki zahteva mrzle temperature okoli 4 stopinj nad absolutnim ničlom (4 kelvina ali -270 stopinj Celzija). V zadnjih letih je bil v fuzijske magneze dodan nov material, poimenovan REBCO (za redkozemeljsko barijumski oxid bakra), ki jim omogoča delovanje pri 20 kelvinih, kar je temperatura, ki, kljub temu, da je le za 16 kelvinov višja, prinaša pomembne prednosti v smislu lastnosti materiala in praktične inženiringe.
Izkoristiti ta nov, visoko-temperaturn nadprevodni material ni bilo le vprašanje, kako ga nadomestiti v obstoječih magnetskih projektih. Namesto tega je bila iz začetka preoblikovana skoraj vsa načela, ki jih uporabljate za izdelavo superprevodnih magnetov, pravi Whyte. Novi material REBCO se izredno razlikuje od prejšnje generacije superprevodnikov. Ne boste se samo prilagajali in zamenjali, pravzaprav boste inovirali od temeljev. Novi časopisi v Transakcije o uporabni superprevodnosti opisati podrobnosti tega procesa prenove, zdaj, ko je patentna zaščita na mestu.
Ključna inovacija: brez olajevanja
Eden od dramatičnih inovacij, ki je mnoge druge v področju spravila v sum večine uspešnosti, je bila izključitev izolacije okoli tankih, ravnih trak asti superprovodne trape, ki je oblikovala magnet. Kot skoraj vsi električni vodiči so konvencionalni superprovodni magneti popolnoma zaščiteni z izolacijskim materialom, da se izognemo kratkemu stiku med vodiči. V novem magnetu pa je bila trapa popolnoma nepokrita; inženirji so se zanašali na veliko večjo prevodnost REBCO-ja, da bi vzdrževali tok skozi material.
„Ko smo začeli ta projekt, recimo leta 2018, je bila tehnologija uporabe visoko temperaturnih superprovodnikov za gradnjo velikomernih magnetov z visokim poljem še v pomožni fazi,“ pravi Zach Hartwig, Robert N. Noyce Career Development Professor na Oddelku za jedrske znanosti in inženiring. Hartwig ima skupno imenovanje pri PSFC in je vodja njenega inženirskega skupine, ki je vodila razvojni projekt magnetskega sistema. „Najbolj napredna tehnologija je bila majhna eksperimentalna namestitve na laborskem stolcu, ki ni resnično predstavljala tega, kar je potrebno za gradnjo celotne namestitve. Naš razvojni projekt magnetskega sistema je začel z majhnimi poskusnimi enotami in se končal z celotnim modelom v zelo kratkem času,“ dodaja, da je ekipa zgradila magnet z 9.072 kilogrami, ki je ustvaril trajen, enakomerben magnetno polje od več kot 20 tesl – daleč nad katerim koli takega polja, ki je kdaj bilo proizvedeno na veliki merili.
„Običajna metoda za gradnjo teh magnetskih je, da bi zavijali prevodnik in imeli izolacijo med vijami, in potrebujete izolacijo, da se lotite visokih napetosti, ki jih generirajo nenužni dogodki, kot je ustavitev.“ Odstranitev plasti izolacije, pravi, „ima prednost nizke-napetostnega sistema. Zelo poenostavlja proceese izdelave in časovni načrt.“ To pusti tudi več prostora za druge elemente, kot je več hlajenja ali več strukture za moč.
Magnetna montaža je malo manjša različica tistih, ki bodo sestavljale obliko kamere SPARC fuzijskega naprave, ki jo zdaj gradijo v Devensu, Massachusetts CFS. Sestoji iz 16 plošč, imenovanih piskotki, vsaka z vijcem superprevodne trake na eni strani in hlajenjem kanalov za helijsko plin na drugi.
Vendar pa je bil dizajn brez izolacije obravnavan kot tvegan in na poskusni programu je odvisilo mnogo. »To je bil prvi magnet v dostopnih razsežnostih, ki je resnično preiskoval, kaj pomeni načrtovati, graditi in testirati magnet z imenovano tehnologijo brez izolacije in brez zavijanja«, pravi Hartwig. »Bilo je popolnoma presenečeno skupnosti, ko smo objavili, da je to zavitek brez izolacije.«
Gnevanje do meja … in še dlje
Prvi poskus, o katerem je bilo v predhodnih člankih, je dokazal, da je načrtovanje in proizvodni postopek delovala ne le uspešno, ampak tudi zelo stabilno – kar so dvomili neki raziskovalci. Naslednji dva seriji poskusov, ki ju sta izvedli tudi v koncu leta 2021, sta napravo gnila do meje tako, da so namerno ustvarili nestabilne pogoje, vključno z popolnim izklopom prihodnje elektroenergije, kar lahko pripelje do katastrofalskega presegrevanja. To, kar je poznano kot izkapanje, je smatrano najhuzejšim scenarijem za delovanje takšnih magnetov, saj lahko uniči opremo.
Del misije testnega programa, pravi Hartwig, je bil „zares oditi in namerno ugasiti polno merilo magnetskega sistema, da bomo dobili kritične podatke v pravem merilu in pri pravih pogojev, da naprejimo z znanstveno raziskovanjem, da potrdimo izračunsko kodo in nato razcepimo magnet in odkrijemo, kaj je šlo narobe, zakaj je šlo narobe, in kako storimo naslednjo iteracijo za popravilo težave. … To je bil zelo uspešen test.“
Ta zadnji test, ki je končal s pečenjem enega kota ene od šestnajst jabolk, je prinesel bogastvo nove informacije, pravi Hartwig. Najprej so uporabljali več različnih računskih modelov za načrtovanje in napovedovanje učinkovitosti različnih aspektov učinkovitosti magnetskega sistema, in za večino so se modeli strinjali v svojih splošnih napovedih in jih je dobro potrdil serija testov in meritev v resničnem svetu. Vendar pa so se napovedi modelov pri ocenjevanju učinka izpuščanja razlikovale, zato je bilo nujno pridobiti poskusne podatke za oceno veljavnosti modelov.
„Najvišjezični modeli, ki jih imeli na voljo, so skoraj točno napovedali, kako se magnet bo segreval, do katere temperature in kje bo prišlo do poškodbe magnetne koile, ko bo začel utonjati“, pravi. Podrobneje opisano v enem izmed novih poročil: „Ta test nam je dejansko povedal natanko, kakšna fizika je bila v igri, in nam je povedal, kateri modeli so uporabni v prihodnosti in katere moramo zavrgniti, ker niso pravilni.“
Whyte pravi: „Osnovno smo koili storili najhuje možno, namreč namerno, po tem, ko smo preizkusili vse druge aspekte delovanja koile. In odkrili smo, da je večina koile preživela brez poškodb“, medtem ko je posamezna območja doživela delno taljenje. „To je kot nekaj odstotkov prostornine koile, ki je bila poškodovana.“ In to je vodilo do sprememb v načrtu, ki jih pričakujejo, da bodo preprečile takšne poškodbe v resničnem fuzijskem napravi magnetih, celo pod najekstremnejšimi pogoji.
Hartwig poudarja, da je glavni razlog, zaradi katerega je ekipa lahko dosegli tak radikalno novo rekordno načrtovanje magnetskega sistema in ga pravilno izvedla že prvič in po zelo kratkem časovnem načrtu, bil hvala globoki stopnji znanja, strokovnjaka in opreme, ki so se nagromadile skozi decenije delovanja tokamaka Alcator C-Mod, laboratorija Francis Bitter Magnet Laboratory in drugih del v PSFC. 'To gre v središče institucionalnih možnosti takega mesta,' pravi. 'Imeli smo sposobnost, infrastrukturo, prostor in ljudi, da bi to storili pod enim streho.'
Sodelovanje z CFS je bilo tudi ključno, pravi, saj sta MIT in CFS združila najmočnejše strani akademske institucije in zasebnega podjetja, da skupaj storita stvari, ki jih ne bi mogla storiti nobena izmed obeh samostojno. „Na primer, ena od glavnih prispevkov CFS je bila izkoriščanje moči zasebnega podjetja za ustanovitev in povečanje verige dobaviteljev na neverjetnem ravnotežju in časovnem razporeu za najbolj kritično material v projektu: 300 kilometrov (186 milj) visoko temperaturnega superprovodnika, ki je bil pridobljen s strogo kakovostno kontrolijo v manj kot enem letu in integriran po zaključenem roku v magnet.”
Tudi integracija obeh ekip, tiste iz MIT in tiste iz CFS, je bila ključna za uspeh, pravi. „Misleli smo si, da smo ena ekipa, in to je omogočilo storit, kar smo storili.”
