Sa oras ng huli-huling bahagi ng gabi bago ang alindog noong Setyembre 5, 2021, nakamit ng mga ingenyerong may-ari ng isang malaking talumpati sa mga laboratoryo ng Plasma Science and Fusion Center (PSFC) ng MIT, kung saan isang bagong uri ng magnet, na gawa sa anyong superconducting sa mataas na temperatura, naabot ang mundo-rekord na lakas ng magnetic field na 20 tesla para sa isang malaking magnet. Iyon ang intensidad na kinakailangan upang magawa ang isang plantang pangfusion na inaasahan na magiging produktibo ng netong output ng enerhiya at maaaring ipagmuli ang panahon ng halos walang hanggang produksyon ng kapangyarihan.
Ang pagsusuri ay agad na ipinahayag bilang tagumpay, humihikayat ng lahat ng mga kriterya na itinakda para sa disenyo ng bagong device ng pagkakaisa, na tinawag na SPARC, kung saan ang mga magnet ay ang pangunahing teknolohiya. Pinoputok ang mga sugnay ng champagne habang inuubaya ng pagod na koponan ng mga eksperimentador, na nagtrabaho nang mahaba at husto upang gawing posible ang kanilang kampanya, ang kanilang kabuoan.
Ngunit iyon ay malayo pa mula sa dulo ng proseso. Sa loob ng mga susunod na buwan, inspeksyon ng koponan ang mga bahagi ng magnet, pinag-aralan at analisado ang datos mula sa daang-instrumento na tumatalakay sa mga detalye ng mga pagsusuri, at ginawa ang dalawang karagdagang pagsusuri sa parehong magnet, huling sinugpo ito sa kanyang punto ng pagbukas upang matuto ng mga detalye ng anumang posibleng mode ng pagpapabigo.
Lahat ng mga trabaho na ito ay ngayon ay nakakumpleto sa isang detalyadong ulat mula sa mga mananaliksik sa PSFC at sa MIT spinout company na Commonwealth Fusion Systems (CFS), na pinakamahalaga sa isang koleksyon ng anim na pinalawig na artikulo sa isang espesyal na edisyon ng Marso na isyu ng IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Kasama, ang mga papel ay naglalarawan ng disenyo at paggawa ng imagnet at ng kagamitan ng diagnostiko na kinakailangan upang suriin ang kanyang pagganap, pati na rin ang mga aral na natutunan mula sa proseso. Sa pangkalahatan, nasumpungan ng grupo, ang mga paghahambing at pagsasimula sa kompyuter ay tuwid-tuwid, na napatunayan na maaaring maglingkod ang natatanging mga elemento ng disenyo ng imagnet bilang pundasyon para sa isang planta ng kapangyarihan ng pagkakahalo.
Pagpapadali ng praktikal na kapangyarihan ng pagkakahalo
Ang matagumpay na pagsusuri ng imagnet, sabi ni Guro sa Inhinyeriya ng Hitachi America Dennis Whyte, na nanghiwalay nang kamakailan lamang bilang direktor ng PSFC, ay 'yong pinakamahalagang bagay, sa aking palagay, sa huling 30 taon ng pag-aaral tungkol sa pagkakahalo.'
Bago ang demostrasyon noong Setyembre 5, ang pinakamahusay na magagamit na superconducting magnets ay sapat na makapag-uulit ng enerhiya ng pagkakaisa — ngunit lamang sa mga laki at presyo na hindi kailanman praktikal o ekonomikong maaari. Pagkatapos ay nang ang mga pagsusuri ay ipinakita ang praktikalidad ng ganitong malakas na magnet sa isang malaking binabawasan na laki, 'pagdaigdig ito, ito ay nagbago ng halaga ng gastos bawat wat ng isang reactor ng fusion sa isang factor ng halos 40 sa loob ng isang araw,' sabi ni Whyte.
'Ngayon may pag-asa ang fusion,' dagdag ni Whyte. Ang tokamaks, ang pinakamaraming ginagamit na disenyo para sa eksperimental na mga aparato ng fusion, 'may pag-asa, sa aking palagay, na maging ekonomiko dahil nakakuha ka ng quantum na pagbabago sa iyong kakayahan, kasama ang mga kilalang mga batas ng physics ng confinement, tungkol sa pagiging kakayang malubhang maiwasan ang laki at ang gastos ng mga bagay na gagawin ang fusion maaaring mangyari.'
Ang komprehensibong datos at analisis mula sa pagsubok ng magnet ng PSFC, tulad ng detalyado sa anim na bagong papel, ay nagpatunay na ang mga plano para sa isang bagong henerasyon ng mga device para sa pagsasamuhay — ang isinulat ni MIT at CFS, pati na rin ang mga katulad na disenyo ng iba pang mga komersyal na kumpanya para sa pagsasamuhay — ay itinatayo sa isang matatag na pundasyon sa agham.
Ang superconducting breakthrough
Ang pagsasamuhay, ang proseso ng pag-uugnay ng maliit na atom upang bumuo ng mas malalaking mga ito, ay nagdadala ng enerhiya sa araw at bituin, ngunit ang paggamit nito sa lupa ay tumunog na isang nakakabahala na hamon, may maraming taon ng malubhang paggawa at milyardeng dolyar na pinagastos sa eksperimental na mga aparato. Ang kinakailangang matandaan, ngunit hindi pa rin nakamit hanggang ngayon, ay magtayo ng isang planta ng pagsasamuhay na nagproduc ng higit na enerhiya kaysa sa kinakain. Maaaring magproduc ng elektrisidad ang ganitong planta ng pagsasamuhay nang walang pagpapalabas ng mga greenhouse gases habang gumagana, at nagbubuhat ng napakakaunting radioactive na basura. Ang fuel ng pagsasamuhay, isang anyo ng hydrogen na maaaring makuhang mula sa seawater, ay halos walang hanggan.
Ngunit upang gawing mabisa ito, kinakailangan ang pagkompres ng fuel sa labis na mataas na temperatura at presyon, at dahil walang kilalang material ang makakaya ng ganitong temperatura, kinakailangang ipagkuha ang fuel gamit ang malakas na pangmagnetikong mga patlang. Ang paggawa ng ganitong malakas na patlang ay nangangailangan ng superconducting magnets, ngunit lahat ng dating fusion magnets ay gawa sa isang superconducting material na kailangan ng maiging temperatura na humigit-kumulang 4 degrees sa itaas ng absolute zero (4 kelvins, o -270 degrees Celsius). Sa huling ilang taon, isang bagong material na tinawag na REBCO, para sa rare-earth barium copper oxide, ay idinagdag sa fusion magnets, at pinapayagan itong magtrabaho sa 20 kelvins, isang temperatura na bagaman lamang 16 kelvins mas mainit, nagdadala ng malaking halaga sa aspeto ng mga propiedades ng material at praktikal na inhinyering.
Paggamit ng bagong superconductor na matatag sa mataas na temperatura ay hindi lamang isang katanungan ng pagpapalit nito sa umiiral na disenyo ng magnet. Sa halip, "ito ay isang pagsasanay mulang sa pangunahin ng halos lahat ng prinsipyong ginagamit mo upang magtayo ng superconducting magnets," sabi ni Whyte. Ang bagong REBCO material ay "labis naiba mula sa dating henerasyon ng superconductors. Hindi mo lang ito adapta at palitan, katotohanan ay gagawa ka ng pagkakabago mula sa pangunahin." Ang mga bagong papel sa Transaksyon tungkol sa Aplikadong Superconductivity naglalarawan ng mga detalye ng proseso ng pagbabago, ngayon na ang proteksyon ng patent ay nasa lugar.
Isang pangunahing pag-unlad: walang insulasyon
Isang mahusay na pag-unlad, na nagdulot ng maraming mga skeptiko sa pangunahing larangan tungkol sa kanilang pagpapakita ng tagumpay, ay ang pagtanggal ng insulation sa paligid ng mga tinatamis na, patag na itlog ng superconducting tape na bumubuo sa magnet. Tulad ng halos lahat ng mga kawire ng elektrisidad, ang konvensional na mga superconducting magnet ay buong proteksyon ng insulating material upang maiwasan ang mga short-circuit sa pagitan ng mga kawire. Ngunit sa bagong magnet, ang tape ay iniwanan nang walang anumang proteksyon; pinagtiwalaan ng mga inhinyero ang REBCO's mas mataas na conductibilyidad upang panatilihin ang ilaw na umuusbong sa loob ng anyo.
“Kapag nagsimula kami sa proyektong ito, sabihin natin noong 2018, ang teknolohiya ng paggamit ng mataas na temperatura superconductors upang magtayo ng malalaking magnet na may mataas na-bahaging-bahagi ay nasa unang bahagi pa lamang,” sabi ni Zach Hartwig, ang Robert N. Noyce Career Development Professor sa Departamento ng Nuclear Science and Engineering. May co-appointment si Hartwig sa PSFC at siya ang punong-guro ng kanyang grupo sa inhinyeriya, na humalo sa proyekto ng pag-unlad ng magnet. “Ang pinakamataas na teknolohiya noon ay maliit na eksperimento sa benchtop, hindi talaga kinakatawan ng kailangan para magtayo ng isang buong laki. Ang aming proyekto ng pag-unlad ng magnet ay nagsimula sa benchtop scale at natapos sa buong laki sa maikling oras,” dagdag niya, na pinapansin na ang koponan ay nagbuhos ng isang magnet na may timbang na 20,000-pound na nagproduc ng tunay na patuloy na magnetic field ng higit sa 20 tesla — malayo pa sa anumang ganitong field na ginawa sa malaking laki.
"Ang karaniwang paraan upang gawin ang mga magnetong ito ay iwind ang conductor at mayroon kang insulation sa pagitan ng mga winding, at kailangan mong magkaroon ng insulation upang mapaghandaan ang mataas na voltas na nabubuo habang nagaganap ang mga abnormal na pangyayari tulad ng isang shutdown." Alisin ang mga layer ng insulation, sabi niya, "mayroong halaga ito bilang isang low-voltage system. Nakakasimplipiko ito ng malaki ang mga proseso ng paggawa at schedule." Nagiiwan din ito ng higit na lugar para sa iba pang elemento, tulad ng higit na cooling o higit na structure para sa lakas.
Ang magnet assembly ay isang maliit na mas maliit na bersyon ng mga ito na babanggin ang donut-shape na kamara ng SPARC fusion device na ngayon ay inuukit ng CFS sa Devens, Massachusetts. Binubuo ito ng 16 na plato, tinatawag na pancakes, bawat isa ay may spiral na winding ng superconducting tape sa isang tabi at cooling channels para sa helium gas sa kabilang tabi.
Ngunit ang disenyo na walang isolasyon ay itinuturing na maraming panganib, at marami ang nagdepende sa programa ng pagsubok. 'Ito ang unang magnet sa anomang sapat na skalang tunay na nagsusuri kung ano ang nasa piling ng disenyo at pagsasagawa at pag-uulat ng isang magnet na may teknolohiyang ito na tinatawag na walang isolasyon at walang twist,' sabi ni Hartwig. 'Mabuti itong supriza para sa komunidad nang ipahayag namin na ito ay isang coil na walang isolasyon.'
Pumipindot hanggang sa hangganan ... at higit pa
Ang unang pagsubok, na ipinaliwanag sa mga nakaraang papel, ay tumunton na ang disenyo at proseso ng paggawa ay hindi lamang gumagana kundi lubos na maaaring makinig — isang bagay na kinakailangan ng ilang mga mananaliksik. Ang susunod na dalawang pagsubok, na ginawa rin noong huling bahagi ng 2021, ay sumubok sa kagamitan hanggang sa kanyang hangganan sa pamamagitan ng pagsisimula ng mga kondisyon na hindi makakapagpatakbo, kabilang ang isang kabuoang pag-iwas ng dating enerhiya na maaaring humantong sa isang katastroikal na sobrang init. Kilala bilang quenching, ito ay itinuturing na pinakamasama na senaryo para sa operasyon ng mga ganitong magnet, na may posibilidad na magwakas sa kagamitan.
Bahagi ng misyon ng programa ng pagsusulit, sabi ni Hartwig, ay 'pumunta at intensional na iquench ang isang buo-skalang magnet, kaya namin makakuha ng kritisyal na datos sa tamang skalang at tamang kondisyon upang palakasin ang agham, upang patunayan ang mga disenyo ng code, at pagkatapos ay sundanin ang magnet at tingnan kung ano ang mali, bakit nagkamali, at paano namin gagawin ang susunod na iterasyon patungo sa pagpaparami. ... Ito ay isang napakamatagumpay na pagsusulit.'
Ang huling pagsubok, na natapos sa pagsisira ng isang sulok ng isang pancake sa 16 pancakes, ay nagbigay ng malaking dami ng bagong impormasyon, sabi ni Hartwig. Sa unang lugar, ginagamit nila maraming iba't ibang mga komputasyonal na modelo upang disenyuhin at iprohersa ang pagganap ng iba't ibang bahagi ng pagganap ng magnet, at para sa karamihan, sumasang-ayon ang mga modelo sa kanilang pangkalahatang mga pagprohersa at maayos na pinapatunayan ng serye ng mga pagsubok at talakayang tunay. Pero sa pagpaprostigma ng epekto ng quench, lumayo ang mga pagprohersa ng modelo, kaya kinakailangan ang mga eksperimental na datos upang matantya ang wastong pamamaraan ng mga modelo.
“Ang pinakamataas na modelong fidelity na mayroon kami ay naimpluwensya halos eksaktong kung paano ang magnet na magiging mainit, sa anomang grado ito ay magiging mainit habang ito ay umuwing, at saan ang mga sugat na bunga sa magnet ay mangyayari,” sabi niya. Gayunpaman, tulad ng ipinapaliwanag nang detalyado sa isa sa mga bagong ulat, “Nagbigay ang pagsusuri na iyon ng eksaktong pisika na nangyayari, at ito ay nagtala sa amin naanong mga modelo ang gamitin patuloy at alin ang iiwan sa daan dahil hindi tama.”
Sabay ni Whyte, “Sa pangkalahatan ginawa namin ang pinakamalaking problema sa isang coil, kasinungatin, pagkatapos ng pagsusuri sa lahat ng iba pang aspeto ng pagganap ng coil. At natuklasan namin na pinakamaraming bahagi ng coil ay nakabuhay na walang pinsala,” habang ang isang napiling lugar ay nakakuha ng ilang pagmelt. “Parang maliit na bahagi ng volyumen ng coil ang nasira.” At ito ay humantong sa mga revisyon sa disenyo na inaasahan na maiiwasan ang ganitong uri ng pinsala sa tunay na magnetyong gamit sa fusion device, pati na rin sa pinakamasakit na kondisyon.
Hinahangaan ni Hartwig na isang pangunahing sanhi kung bakit nakamit ng grupo ang isang radikal na bagong rekord-na-tatayaang disenyo ng magnet, at nakuha ito tama sa unang pagkakataon at sa isang mabilis na schedule, ay dahil sa malalim na antas ng kaalaman, ekspertisa, at kagamitan na natipon sa loob ng dekadang operasyon ng Alcator C-Mod tokamak, Francis Bitter Magnet Laboratory, at iba pang gawaing natupad sa PSFC. ‘Ito’y pumapasok sa puso ng mga kakayahan ng institusyon tulad nitong lugar,’ sabi niya. ‘Mayroon kami ng kakayahan, infrastraktura, at espasyo at ang mga taong gumagawa ng mga bagay ito sa ilalim ng isang bubong.’
Ang kolaborasyon sa CFS ay pati na rin ay mahalaga, sabi niya, kasama ang MIT at CFS na nag-uugnay ng pinakamahusay na bahagi ng isang akademikong institusyon at pribadong kompanya upang gawin ang mga bagay na hindi makakayaang gawin nila mag-isa. 'Halimbawa, isa sa mga pangunahing ambag mula sa CFS ay ang paggamit ng kapangyarihan ng isang pribadong kompanya upang itatag at i-scale up ang isang supply chain sa hindi nakikitaan level at timeline para sa pinakamahalagang material sa proyekto: 300 kilometro (186 miles) ng mataas na temperatura superconductor, na kinuha gamit ang malalakas na kontrol sa kalidad sa loob ng isang taon lamang, at integridado nang kumpiyansa sa magnet.'
Ang integrasyon ng dalawang grupo, mula sa MIT at mula sa CFS, ay dinadaanan din bilang mahalaga sa tagumpay, sabi niya. 'Inisip namin ang sarili namin bilang isang grupo, at yun ang nagbigay-daan sa amin na gumawa ng ginawa namin.'
