การทดสอบแสดงให้เห็นว่าแม่เหล็กซุปเปอร์คอนดักเตอร์อุณหภูมิสูงพร้อมสำหรับการหลอมรวมแล้ว

ในช่วงเวลาใกล้รุ่งของวันที่ 5 กันยายน 2021 วิศวกรได้บรรลุความก้าวหน้าสำคัญในห้องปฏิบัติการของศูนย์วิทยาศาสตร์พลาสมาและการรวมนิวเคลียร์ของ MIT เมื่อแม่เหล็กชนิดใหม่ที่ทำจากวัสดุซุปเปอร์คอนดักเตอร์ที่อุณหภูมิสูงสามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่มีกำลังสูงสุดระดับโลกที่ 20 เทสลาสำหรับแม่เหล็กขนาดใหญ่ นั่นคือความเข้มที่จำเป็นสำหรับการสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานฟิวชั่นที่คาดว่าจะผลิตพลังงานสุทธิออกมาได้ และอาจเปิดยุคสมัยของการผลิตพลังงานที่ไม่มีขีดจำกัด

การทดสอบได้รับการประกาศว่าสำเร็จทันที โดยสามารถผ่านเกณฑ์ทั้งหมดที่กำหนดไว้สำหรับการออกแบบอุปกรณ์ฟิวชันใหม่ ซึ่งมีชื่อว่า SPARC โดยที่แม่เหล็กเป็นเทคโนโลยีหลักที่ทำให้โครงการนี้เป็นไปได้ ทีมทดลองที่เหน็ดเหนื่อยจากการทำงานหนักเพื่อให้บรรลุความสำเร็จนี้ได้เฉลิมฉลองด้วยการเปิดขวดแชมเปญ

แต่นั่นยังไม่ใช่จุดสิ้นสุดของกระบวนการ ในช่วงหลายเดือนต่อมา ทีมงานได้ถอดแยกและตรวจสอบชิ้นส่วนของแม่เหล็ก พิจารณาและวิเคราะห์ข้อมูลจากเครื่องมือหลายร้อยชิ้นที่บันทึกรายละเอียดของการทดสอบ และทำการทดสอบเพิ่มเติมอีกสองรอบบนแม่เหล็กเดิม โดยในที่สุดได้ผลักดันให้แม่เหล็กถึงจุดแตกหัก เพื่อศึกษาข้อมูลเกี่ยวกับลักษณะการล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้น

งานทั้งหมดนี้ได้ส่งผลให้เกิดรายงานโดยละเอียดจากนักวิจัยที่ PSFC และบริษัท Commonwealth Fusion Systems (CFS) ซึ่งเป็นบริษัทสปินออฟของ MIT ตีพิมพ์ในชุดบทความวิจัยหกเรื่องในฉบับพิเศษของเดือนมีนาคม IEEE Transactions on Applied Superconductivity โดยรวมแล้ว ทีมงานพบว่า การทำนายและการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์นั้นถูกต้องแม่นยำ ซึ่งยืนยันได้ว่าองค์ประกอบการออกแบบเฉพาะของแม่เหล็กสามารถเป็นรากฐานสำหรับโรงไฟฟ้าพลังงานฟิวชันได้ โดยเอกสารทั้งหมดอธิบายถึงการออกแบบและการสร้างแม่เหล็กและอุปกรณ์วินิจฉัยที่จำเป็นเพื่อประเมินประสิทธิภาพของมัน รวมถึงบทเรียนที่ได้จากการดำเนินการ

สนับสนุนพลังงานฟิวชันเชิงปฏิบัติ

การทดสอบแม่เหล็กที่ประสบความสำเร็จ ศาสตราจารย์เดนนิส ไวท์แห่งฮิตาชิ อเมริกา กล่าวว่า เป็น "สิ่งสำคัญที่สุด ในความคิดของฉัน ในช่วง 30 ปีที่ผ่านมาของการวิจัยพลังงานฟิวชัน"

ก่อนการสาธิตในวันที่ 5 กันยายน แม่เหล็กซุปเปอร์คอนดักเตอร์ที่มีประสิทธิภาพที่สุดที่มีอยู่สามารถสร้างพลังงานฟิวชั่นได้ แต่เพียงในขนาดและต้นทุนที่ไม่มีทางใช้งานหรือคุ้มค่าทางเศรษฐกิจได้ จากนั้นเมื่อผลการทดสอบแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของแม่เหล็กที่ทรงพลังเช่นนี้ในขนาดที่เล็กลงมาก "ภายในคืนเดียว มันเปลี่ยนต้นทุนต่อวัตต์ของเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่นไปเกือบ 40 เท่าในหนึ่งวัน" Whyte กล่าว

"ตอนนี้ฟิวชั่นมีโอกาสแล้ว" Whyte เพิ่มเติม โทคา马克 ซึ่งเป็นการออกแบบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับอุปกรณ์ทดลองฟิวชั่น "มีโอกาส ในความคิดของฉัน ที่จะเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจ เพราะคุณมีการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในความสามารถของคุณ โดยใช้กฎฟิสิกส์ของการกักขังที่รู้จักกันอยู่ ในการลดขนาดและต้นทุนของสิ่งของที่จะทำให้ฟิวชั่นเป็นไปได้"

ข้อมูลและวิเคราะห์อย่างครอบคลุมจากผลการทดสอบแม่เหล็กของ PSFC ซึ่งอธิบายไว้ในเอกสารหกฉบับใหม่ ได้แสดงให้เห็นว่าแผนการสำหรับยุคใหม่ของอุปกรณ์ฟิวชัน — อันที่ออกแบบโดย MIT และ CFS และการออกแบบที่คล้ายกันจากบริษัทฟิวชันเชิงพาณิชย์รายอื่น ๆ — มีรากฐานที่มั่นคงทางด้านวิทยาศาสตร์

ความก้าวหน้าของการนำกระแสไฟฟ้าแบบซูเปอร์คอนดักเตอร์

กระบวนการฟิวชัน ซึ่งเป็นกระบวนการรวมอะตอมที่เบากลายเป็นอะตอมที่หนักขึ้น เป็นแหล่งพลังงานของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ แต่การทำให้กระบวนการนี้เกิดขึ้นบนโลกกลับกลายเป็นความท้าทายอย่างมาก โดยใช้เวลาและความพยายามหลายทศวรรษพร้อมกับเงินลงทุนหลายพันล้านดอลลาร์ในการทดลองกับอุปกรณ์ต่าง ๆ เป้าหมายที่แสวงหาอยู่เสมอ แต่ยังไม่เคยบรรลุ คือการสร้างโรงไฟฟ้าฟิวชันที่ผลิตพลังงานมากกว่าที่มันใช้ไป โรงไฟฟ้าประเภทนี้สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าโดยไม่มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในระหว่างการทำงาน และเกิดขยะกัมมันตรังสีเพียงเล็กน้อย ขณะที่เชื้อเพลิงสำหรับฟิวชันซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของไฮโดรเจนที่สามารถสกัดได้จากน้ำทะเล มีอยู่อย่างไม่จำกัด

แต่การทำให้กระบวนการนี้สำเร็จจำเป็นต้องอัดก๊าซเชื้อเพลิงที่อุณหภูมิและความดันสูงมาก และเนื่องจากไม่มีวัสดุใดที่รู้จักกันสามารถทนต่ออุณหภูมินั้นได้ เชื้อเพลิงจะต้องถูกยึดไว้โดยสนามแม่เหล็กที่ทรงพลังมาก การสร้างสนามแม่เหล็กที่แรงขนาดนั้นต้องใช้แม่เหล็กซูเปอร์คอนดักเตอร์ แต่แม่เหล็กฟิวชั่นทั้งหมดในอดีตถูกทำขึ้นจากวัสดุซูเปอร์คอนดักเตอร์ที่ต้องการอุณหภูมิต่ำมากประมาณ 4 เดกรีเหนือศูนย์สัมบูรณ์ (4 เคลวิน หรือ -270 เดกรีเซลเซียส) ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการเพิ่มวัสดุใหม่ที่เรียกว่า REBCO ย่อมาจาก rare-earth barium copper oxide เข้าไปในแม่เหล็กฟิวชั่น ซึ่งทำให้มันสามารถทำงานที่อุณหภูมิ 20 เคลวิน แม้ว่าอุณหภูมินี้จะอุ่นกว่าเพียง 16 เคลวิน แต่ก็มอบประโยชน์อย่างมากในแง่ของคุณสมบัติของวัสดุและการออกแบบทางวิศวกรรม

การใช้ประโยชน์จากวัสดุซูเปอร์คอนดักเตอร์อุณหภูมิสูงชนิดใหม่นี้ไม่ใช่แค่การแทนที่ในการออกแบบแม่เหล็กเดิมเท่านั้น แต่ "เป็นการทำใหม่ตั้งแต่ต้นเกือบทุกหลักการที่คุณใช้ในการสร้างแม่เหล็กซูเปอร์คอนดักเตอร์" ไวท์กล่าว วัสดุ REBCO รุ่นใหม่นี้ "แตกต่างอย่างมากจากซูเปอร์คอนดักเตอร์รุ่นก่อนหน้า คุณจะไม่เพียงแค่ปรับและแทนที่ แต่คุณจะต้องสร้างนวัตกรรมใหม่ตั้งแต่ต้น" บทความใหม่ใน ธุรกรรมเกี่ยวกับซูเปอร์คอนดักเตอร์ประยุกต์ บรรยายรายละเอียดของกระบวนการออกแบบใหม่นี้ หลังจากที่การคุ้มครองสิทธิบัตรได้ดำเนินการแล้ว

นวัตกรรมสำคัญ: ไม่มีฉนวน

หนึ่งในนวัตกรรมที่โดดเด่น ซึ่งทำให้หลายคนในวงการกังขาถึงโอกาสที่จะประสบความสำเร็จ คือการกำจัดฉนวนรอบๆ เส้นริบบอนบางและแบนที่ทำจากเทปซูเปอร์คอนดักเตอร์ซึ่งใช้สร้างแม่เหล็ก เหมือนกับสายไฟฟ้าเกือบทุกชนิด แม่เหล็กซูเปอร์คอนดักเตอร์แบบปกติจะมีฉนวนห่อหุ้มอย่างสมบูรณ์เพื่อป้องกันการสั้นวงจรของสายไฟ แต่ในแม่เหล็กแบบใหม่นี้ เทปถูกทิ้งไว้โดยไม่มีฉนวนใดๆ วิศวกรพึ่งพาความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าที่มากกว่าของ REBCO เพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุได้อย่างต่อเนื่อง

“เมื่อเราเริ่มโครงการนี้ ในปี 2018 เทคโนโลยีการใช้วัสดุซูเปอร์คอนดักเตอร์ที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้างแม่เหล็กแรงแม่เหล็กขนาดใหญ่ยังอยู่ในช่วงแรกเริ่ม” แซค ฮาร์ตวิก ศาสตราจารย์พัฒนาอาชีพโรเบิร์ต เอ็น. นอยซ์ จากภาควิชาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมนิวเคลียร์กล่าว ฮาร์ตวิกได้รับตำแหน่งร่วมจาก PSFC และเป็นหัวหน้าของกลุ่มวิศวกรรมที่นำโครงการพัฒนาแม่เหล็กนี้ “เทคโนโลยีล้ำสมัยในขณะนั้นคือการทดลองขนาดเล็กบนโต๊ะทำงาน ซึ่งไม่ได้สะท้อนถึงความซับซ้อนของการสร้างสิ่งของขนาดเต็มจริงๆ โครงการพัฒนาแม่เหล็กของเราเริ่มต้นจากการทดลองขนาดโต๊ะทำงานและสามารถขยายไปสู่ขนาดเต็มภายในระยะเวลาอันสั้น” เขายังเสริมอีกว่าทีมงานได้สร้างแม่เหล็กที่หนัก 20,000 ปอนด์ ซึ่งสามารถผลิตสนามแม่เหล็กที่คงที่และสม่ำเสมอที่มากกว่า 20 เทสลา — สูงกว่าสนามแม่เหล็กใดๆ ที่เคยผลิตขึ้นในระดับขนาดใหญ่

“วิธีมาตรฐานในการสร้างแม่เหล็กเหล่านี้คือคุณจะพันตัวนำและมีฉนวนอยู่ระหว่างการพัน คุณจำเป็นต้องใช้ฉนวนเพื่อจัดการกับแรงดันไฟฟ้าสูงที่เกิดขึ้นในเหตุการณ์ผิดปกติ เช่น การปิดระบบ” การกำจัดชั้นฉนวน เขาบอกว่า “มีข้อได้เปรียบของการเป็นระบบแรงดันต่ำ มันช่วยลดความซับซ้อนของกระบวนการผลิตและการวางแผนอย่างมาก” นอกจากนี้ยังทำให้มีพื้นที่มากขึ้นสำหรับองค์ประกอบอื่นๆ เช่น การระบายความร้อนเพิ่มเติมหรือโครงสร้างเสริมเพื่อความแข็งแรง

ชุดแม่เหล็กเป็นเวอร์ชันขนาดเล็กกว่าเล็กน้อยของแม่เหล็กที่จะสร้างห้องทรงโดนัทสำหรับอุปกรณ์หลอม核 SPARC ซึ่งกำลังถูกสร้างขึ้นโดย CFS ในเมืองเดเวนส์ รัฐแมสซาชูเซตส์ มันประกอบด้วยแผ่น 16 แผ่น ซึ่งเรียกว่าแพนเค้ก แต่ละแผ่นมีการพันเกลียวของเทปซูเปอร์คอนดักเตอร์อยู่ด้านหนึ่งและช่องระบายความร้อนสำหรับก๊าซฮีเลียมอยู่อีกด้าน

แต่การออกแบบที่ไม่มีฉนวนถูกมองว่ามีความเสี่ยงสูง และมีความคาดหวังอยู่มากในโปรแกรมการทดสอบ "นี่คือแม่เหล็กตัวแรกในขนาดที่เพียงพอที่จะตรวจสอบสิ่งที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบ การสร้าง และการทดสอบแม่เหล็กด้วยเทคโนโลยีที่เรียกว่า ไม่มีฉนวนและไม่มีการบิด" ฮาร์ทวิกกล่าว "มันเป็นความประหลาดใจอย่างมากสำหรับชุมชนเมื่อเราประกาศว่ามันเป็น线圈 แบบไม่มีฉนวน"

ผลักดันไปถึงขีดจำกัด ... และเกินไป

การทดสอบครั้งแรก ซึ่งได้รับการบรรยายไว้ในเอกสารก่อนหน้านี้ พิสูจน์แล้วว่าการออกแบบและการผลิตทำงานได้จริงและมีความเสถียรอย่างสูง — สิ่งที่บางนักวิจัยเคยสงสัย การทดสอบสองครั้งถัดมา ซึ่งดำเนินการในปลายปี 2021 ได้ผลักดันอุปกรณ์ให้ถึงขีดจำกัดโดยการสร้างสภาพแวดล้อมที่ไม่มั่นคงอย่างตั้งใจ รวมถึงการปิดไฟฟ้าทั้งหมดที่อาจนำไปสู่การร้อนเกินจนเกิดภัยพิบัติ การ "quenching" นี้ถือเป็นสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุดสำหรับการทำงานของแม่เหล็กประเภทนี้ มีโอกาสทำลายอุปกรณ์ได้

ส่วนหนึ่งของภารกิจในโปรแกรมทดสอบ ฮาร์ทวิกกล่าวว่า “คือการไปปิดการทำงานของแม่เหล็กขนาดเต็มโดยเจตนา เพื่อให้เราได้ข้อมูลสำคัญในระดับและเงื่อนไขที่เหมาะสม เพื่อพัฒนาความรู้ ตรวจสอบโค้ดการออกแบบ และจากนั้นแยกแม่เหล็กออกเพื่อดูว่าเกิดอะไรผิดพลาด ทำไมถึงผิดพลาด และเราจะปรับปรุงรอบถัดไปอย่างไรเพื่อแก้ไขปัญหานั้น... การทดสอบครั้งนี้ประสบความสำเร็จอย่างมาก”

การทดสอบครั้งสุดท้าย ซึ่งจบลงด้วยการละลายของมุมหนึ่งของแพนเค้กแผ่นหนึ่งจากทั้งหมด 16 แผ่น ได้สร้างข้อมูลใหม่มากมาย เฮิร์ตวิกกล่าว ในเรื่องหนึ่ง พวกเขาได้ใช้แบบจำลองทางการคำนวณหลายแบบเพื่อออกแบบและทำนายประสิทธิภาพของด้านต่างๆ ของแม่เหล็ก และโดยรวมแล้ว แบบจำลองเหล่านั้นสอดคล้องกับการทำนายโดยรวมและได้รับการยืนยันจากชุดการทดสอบและการวัดในโลกจริง แต่ในการทำนายผลกระทบของการระบายความร้อน ผลการทำนายของแบบจำลองแตกต่างกัน จึงจำเป็นต้องรวบรวมข้อมูลจากการทดลองเพื่อประเมินความถูกต้องของแบบจำลอง

“แบบจำลองที่มีความแม่นยำสูงสุดที่เรามีสามารถทำนายได้ใกล้เคียงกับความร้อนของแม่เหล็กว่าจะเพิ่มขึ้นเท่าไร เมื่อมันเริ่มกระบวนการคัลช์ และตำแหน่งใดที่แม่เหล็กจะเสียหาย” เขาพูด ในรายงานฉบับใหม่ระบุไว้อย่างละเอียดว่า “การทดสอบนี้แสดงให้เห็นถึงหลักฟิสิกส์ที่เกิดขึ้นจริง และบอกเราว่าแบบจำลองใดที่มีประโยชน์ในการใช้งานต่อไป และแบบจำลองใดที่ควรละทิ้งเพราะไม่ถูกต้อง”

ไวท์กล่าวว่า “โดยพื้นฐานแล้วเราได้ทำการทดสอบที่เลวร้ายที่สุดที่เป็นไปได้กับคอยล์อย่างเจตนา หลังจากที่เราทดสอบด้านอื่นๆ ของสมรรถนะคอยล์หมดแล้ว และพบว่าส่วนใหญ่ของคอยล์ยังคงอยู่โดยไม่มีความเสียหาย” ในขณะที่พื้นที่หนึ่งที่แยกออกมาเกิดการหลอมละลายบ้าง “มันเหมือนกับว่าเปอร์เซ็นต์เล็กน้อยของปริมาตรคอยล์ที่ได้รับความเสียหาย” และนั่นนำไปสู่การแก้ไขการออกแบบที่คาดว่าจะป้องกันความเสียหายในแม่เหล็กของอุปกรณ์ฟิวชั่นจริง แม้ภายใต้สภาพแวดล้อมที่รุนแรงที่สุด

ฮาร์ทวิกย้ำว่าเหตุผลสำคัญที่ทีมสามารถทำสำเร็จในการออกแบบแม่เหล็กแบบใหม่ที่ล้ำหน้าและสร้างสถิติได้นั้น และทำถูกต้องตั้งแต่ครั้งแรกภายใต้ตารางเวลาที่เร่งรีบ นั้นเป็นเพราะความรู้ ความเชี่ยวชาญ และอุปกรณ์ที่สะสมมาหลายทศวรรษจากการดำเนินงานของ Alcator C-Mod tokamak, Francis Bitter Magnet Laboratory และงานอื่น ๆ ที่ทำที่ PSFC “สิ่งนี้สะท้อนถึงศักยภาพหลักของสถานที่แห่งนี้” เขาพูด “เรามีความสามารถ มีโครงสร้างพื้นฐาน มีพื้นที่ และมีคนที่จะทำสิ่งเหล่านี้ในที่เดียวกันภายใต้หลังคาเดียวกัน”

ความร่วมมือกับ CFS ก็เป็นปัจจัยสำคัญเช่นกัน เขาบอกว่า MIT และ CFS ได้นำเอาส่วนที่ทรงพลังที่สุดของสถาบันการศึกษาและบริษัทเอกชนมาผสานรวมกัน เพื่อทำสิ่งต่าง ๆ ร่วมกันซึ่งแต่ละฝ่ายไม่สามารถทำได้ด้วยตัวเอง “ตัวอย่างหนึ่งคือ การที่ CFS มีบทบาทสำคัญในการใช้ศักยภาพของบริษัทเอกชนเพื่อสร้างและขยายห่วงโซ่อุปทานในระดับและระยะเวลาที่ไม่เคยมีมาก่อนสำหรับวัสดุที่สำคัญที่สุดในโครงการ: สายเคเบิลซูเปอร์คอนดักเตอร์อุณหภูมิสูง 300 กิโลเมตร (186 ไมล์) ซึ่งถูกจัดหาพร้อมการควบคุมคุณภาพอย่างเข้มงวดภายในเวลาไม่ถึงปี และถูกรวมเข้ากับแม่เหล็กตามกำหนดการ”

การผสานการทำงานของทั้งสองทีม ทีมจาก MIT และทีมจาก CFS ก็มีความสำคัญต่อความสำเร็จเช่นกัน เขาบอกว่า “เราคิดว่าเราเป็นทีมเดียวกัน และนั่นทำให้เราสามารถทำสิ่งที่เราทำได้”