U satima pred zoru 5. septembra 2021., inženjeri su postigli važan miljenik u laboratorijima MIT-ovog Centra za plazamsku nauku i fuziju (PSFC), kada je novi tip magneta, napravljen od materijala visokotemperaturne superprovodnosti, dostigao svetski rekord snage magnetskog polja od 20 tesla za veliki magnit. To je intenzitet potreban za izgradnju fuzijske elektrocentre koja se očekuje da će proizvoditi neto izlaznu snagу i moguće otvoriti eru skoro neograničene proizvodnje energije.
Test je odmah bio deklarisan uspešnim, pošto je ispunio sva kriterija postavljena za dizajn novog fuzijskog uređaja, pod nazivom SPARC, za koji su magnetske tehnologije ključni omogućavajući faktor. Češljevi šampanjca su pala dok je umorna ekipa eksperimentatora, koja je dugo i teško radila kako bi ovaj postignuću učinila mogućom, slavila svoje dostignuće.
Ali to je bilo daleko od kraja procesa. Tokom sledećih meseci, tim je raspio i proverio komponente magnetskog sistema, pažljivo je analizirao podatke sa stotina instrumenata koji su registrovali detalje testova, a takođe je izvršio još dve dodatne serije testova na istom magnitu, konačno ga pritiskajući do tačke rušenja kako bi naučili detalje bilo kakvih mogućih režima neuspeha.
Sve ova istraživanja su sada dovela do detaljnog izveštaja od strane istraživača iz PSFC i MIT-ove spinout firme Commonwealth Fusion Systems (CFS), objavljenog u kolekciji šest studija u posebnom izdanju martovskog broja IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Ukupno, sazgo je tima, predviđanja i računarsko modeliranje su bila izuzetno tačna, štoviše da je jedinstveni dizajn magnetske strukture mogao poslužiti kao osnova za fizičku elektrostranu.
Omogućavanje praktične fuzije snage
Uspešno testiranje magnetske strukture, kaže profesor inženjerstva Hitachi Americom Dennis Whyte, koji je nedavno prekinuo svoju funkciju direktora PSFC-a, bio je „najbitnija stvar, po mom mišljenju, u poslednjih 30 godina istraživanja fuzije.“
Pre demonstracije 5. septembra, najbolji raspoloživi superprovodni magneti bili su moćni dovoljno da bi mogli postići fuzijsku energiju — ali samo u dimenzijama i ceni koje nikada nisu mogli biti praktične ili ekonomski opravdane. Zatim, kada su testovi pokazali praktičnost takvog jakeg magneta u znatno smanjenom obimu, 'za jedan dan se osnovna cena po vatima fuzijskog reaktora promenila skoro za faktor od 40', kaže Whyte.
'Sada fuzija ima šansu', dodaje Whyte. Tokamaci, najčešće korišćeni dizajn za eksperimentalne fuzijske uređaje, 'ima šansu, prema mom mišljenju, da bude ekonomičan zato što imate kvantitativnu promenu u svojoj sposobnosti, uz poznata pravila fizike zaključivanja, da znatno smanjite veličinu i cenu objekata koji bi omogućili fuziju.'
Omnestrani podaci i analiza iz testiranja magneta PSFC-a, kao što je detaljno objašnjeno u šest novih radova, su pokazali da planovi za novu generaciju fuzijskih uređaja — onaj dizajniran od strane MIT-a i CFS-a, kao i slični dizajni drugih komercijalnih fuzijskih kompanija — stojat na čvrstem znanstvenom temelju.
Prekid u superprovodljivosti
Fuzija, proces spojivanja lakih atoma da bi se formirali teži, općenito snabdeva sunce i zvezde, ali iskorištavanje tog procesa na Zemlji se ispostavilo kao ogroman izazov, sa decenijama trudnog rada i mnogo milijardi dolara utrošenih na eksperimentalne uređaje. Dugo traženi, ali još uvijek nedostignuti cilj jeste izgraditi fuzijsku elektrocentralu koja proizvodi više energije nego što potroši. Taka elektrocentrale mogu proizvoditi elektricitet bez emisije stakleničkih plinova tijekom rada, a generirajući vrlo malo radioaktivnog otpada. Gorivo za fuziju, oblik vodonika koji se može izvesti iz morske vode, je gotovo neograničeno.
Međutim, da bi se to ostvarilo, potrebno je da se gorivo kompresuje na izuzetno visokim temperaturama i pritiscima, a kako ni jedan poznati materijal ne može da izdrži takve temperature, gorivo mora biti držano na mestu ekstremno jachim magnetskim poljima. Proizvodnja ovako jachih polja zahteva superprovodne magnete, ali su svi prethodni magneti za fuziju bili napravljeni od superprovodnog materijala koji zahteva hladnu temperaturu od oko 4 stepena iznad apsolutne nule (4 kelvina, ili -270 stepeni Celzijusa). U poslednjih nekoliko godina, noviji materijal, nadimljen REBCO, što znači redkozemski barijum medj oksid, je dodat fuzijskim magnetima, što omogućava njihov rad na 20 kelvina, temperaturi koja, iako je samo 16 kelvina toplija, donosi značajne prednosti u pogledu osobina materijala i praktičnog inženjerstva.
Iskorišćenje ovog novog materijala visokotemperaturne superprovodnosti nije bilo samo pitanje njegove zamene u postojećim dizajnima magneta. Umesto toga, „to je bio prepravak od nule gotovo svih principa koje koristite da bi ste izgradili superprovodne magnete,” kaže Whyte. Novi REBCO materijal je „neverovatno različit od prethodne generacije superprovodnika. Nećete samo prilagoditi i zameniti, već zapravo inovirati od nule.” Nove studije Transakcije o primenjenom superprovodstvu opisuju detalje tog procesa prepravke, sada kada je patentička zaštita postavljena.
Ključna inovacija: bez izolacije
Jedna od dramatičnih inovacija, koja je mnoge u ovom polju osvrnula na šanse njenog uspeha, bila je uklanjanje izolacije oko tanakih, ravnih traka superprovodne trake koje formiraju magnet. Kao i gotovo svi obični električki žici, konvencionalni superprovodni magneti su potpuno zaštićeni izolacionim materijalom kako bi se sprečili kratkizidovi između žica. Međutim, u novom magnetu, traka je ostala potpuno golija; inženjeri su zavisili od mnogo veće provodnosti REBCO-a da bi održali struju tekuću kroz materijal.
„Kada smo počeli ovaj projekat, recimo 2018, tehnologija korišćenja visokotemperaturnih superprovodnika za izgradnju velikomernih magnetskih sistema sa jačim poljima bila je u ranoj fazi razvoja“, kaže Džak Hartvigor, profesor Robert N. Noyce-ov razvojni program u Odeljenju za nuklearnu nauku i inženjerstvo. Hartvigor ima dvostruko zvanje na PSFC-u i glavi njegove inženjerske grupe, koja je vodila projekt razvoja magnetskog sistema. „Najbolji rezultati do tada su bili male eksperimente na stolnim pločama, ne predstavljajući ono što je potrebno za izgradnju punomjerne stvari. Naš projekat počeo je malim eksperimentima i završio je punom mernom školom u kratkom vremenskom periodu“, dodaje, ističući da je tim izgrađao magnet od 20.000 funti koji je proizveo stalno, ravnomerno magnetsko polje od malo više od 20 tesla — mnogo iznad bilo kog takvog polja ikada proizvedenog na velikoj meri.
„Običan način izrade ovih magneta je da se provodnik zavijaju i postoji izolacija između zavojima, a potrebna vam je izolacija kako biste upravljali visokim napredima koji nastaju tijekom neobičnih događaja poput isključivanja.“ Uklanjanjem slojeva izolacije, kaže on, „ima prednosti niske-napona sistema. To znatno pojednostavljuje procese izrade i raspored.“ To takođe ostavlja više prostora za druge elemente, kao što su više hlađenja ili više strukture za čvrstoću.
Montaža magneta je malo manje dimenzije od onih koji će obrazovati šumski oblik kamere SPARC fuzijskog uređaja koji se trenutno gradi od strane CFS-a u Devensu, Massachusetts. Sastoji se od 16 ploča, poznatih kao palačinke, svaka sa spiralnim zavojem superprovodnog trake s jedne strane i kanalima za hlađenje helijum plinom s druge.
No-insulation dizajn je međutim bio smatran rizičnim, a mnogo je zavisilo od rezultata testiranja. 'Ovo je bio prvi magnetski sistem dovoljno velikog skaliranja koji je stvarno istraživao šta zaista ulazi u dizajniranje, izradu i testiranje magnetskog sistema sa ovom tzv. tehnologijom bez izolacije i bez savijanja', kaže Hartwig. 'Bilo je to puno iznenađenja za zajednicu kada smo objavili da je to spirala bez izolacije.'
Guranje do granica ... i dalje
Početni test, opisan u prethodnim radovima, je dokazao da funkcioniše i da je dizajn i proces proizvodnje visoko stabilan — nešto što su sumnjali neki istraživači. Sledeća dva testa, takođe provedena na kraju 2021., su gurnula uređaj do granica stvarajući namerno nestabilne uslove, uključujući potpunu isključivanje dolazne snage što može dovesti do katastrofalnog pregravanja. Poznato kao 'isključivanje', ovo se smatra najgorim scenarijem za rad takvih magneta, sa mogućnošću uništavanja opreme.
Deo misije test programa, kaže Hartwig, bio je „zapravo da se oduđemo i namerno gasimo punomaskalni magnet, tako da bismo dobili kritične podatke u pravom skaliranju i pravim uslovima kako bismo unapredili nauku, validirali dizajn kodove, a zatim da razmotrimo magnet i vidimo šta je pošlo naopako, zašto je to pošlo naopako, i kako dalje iterirati prema rešavanju problema. … To je bio veoma uspešan test.“
Završni test, koji je završio topljenjem jednog ugla jedne od 16 palačinki, dao je bogatu novu informaciju, kaže Hartvig. Prvo, koristili su nekoliko različitih računarskih modela za dizajn i predviđanje performansi različitih aspekata performanse magneta, i uglavnom su modeli bili u skladu sa svojim opštim predviđanjima i dobro su validirani serijom testova i merenja u stvarnosti. Međutim, u predviđanju efekta ispricanja, predviđanja modela su se razlikovala, pa je bilo neophodno dobiti eksperimentalna podatka kako bi se procenila važnost modela.
„Najvišeg stepena modeli koji smo imali predvideli skoro tačno kako bi se magnit zagrejao, do kojeg stepena bi se zagrejao dok je počeo da se ispraštava, i gde bi bilo rezultujuće štete magnitu,” kaže on. Kao što je detaljno opisano u jednom od novih izveštaja, „Taj test nam zapravo je rekao tačno fiziku koja se dešavala, i rekao nam je koji modeli su korisni u daljem radu, a koje ostaviti uz cestu jer nisu tačni.”
Whyte kaže, „Osnovno smo uradili najgoru stvar moguću jednom spirali, namerno, posle što smo protestirali sve druge aspekte performansi spirale. I otkrili smo da veći deo spirale prežive bez štete,” dok je jedan izolovan područje utrpelo neku taljanju. „To je kao nekoliko procenata zapremine spirale što je pogođeno.” I to je vodilo do izmena u dizajnu koje se očekuje da spreče takvu štetu u stvarnim magnetima fuzijskog uređaja, čak i u najekstremnijim uslovima.
Хартвиг подчerecoвање да је велики разлог зашто је тим успео да постиgne тако радикални нови дизајн магнета који покреће рекорде, и да га изведе правилно први пут и по екстремном распореду, био због дубоког нивоа знања, експертизе и опreme које су се накопљале током деценија рада Alcator C-Mod токамака, лабораторије Францис Битер Магнет и других радова извршених у PSFC. „Ово дође до срца институционалних способности места попут овог“, каже он. „Имали смо могућност, инфраструктуру, простор и луѓе да ове ствари обавимо испод једног крова.“
Saradnja sa CFS je takođe bila ključna, kaže on, pri čemu su MIT i CFS kombinirali najmoćnije aspekte akademske institucije i privatne firme kako bi zajedno uradili stvari koje nisu mogli da urade poosebno. „Na primer, jedan od glavnih doprinosa CFS-a bio je iskorišćenje snaga privatne firme za osmišljanje i skaliranje lanca snabdevanja na neverovatnom nivou i vremenskom periodu za najkritičniji materijal u projektu: 300 kilometara (186 milja) visokotemperaturnog superprovodnika, koji je bio nabavljen sa strogom kontrolom kvaliteta manje od godine, a zatim integriran po planu u magnete.”
Integracija ove dve ekipe, one sa MIT-a i one sa CFS-a, isto tako je bila ključna za uspeh, kaže on. „Misli smo se kao jedna ekipa, i to nas je omogućilo da uradimo ono što smo uradili.”
