У передсвітанкові години 5 вересня 2021 року інженери досягли важливого етапу в лабораторіях Плазмового наукового та злиттєвого центру MIT (PSFC), коли новий тип магніту, виготовлений з високотемпературного надпровідникового матеріалу, досяг світового рекорду магнітної інтенсивності 20 тесла для великомасштабного магніту. Це інтенсивність, необхідна для створення злиттєвої електростанції, яка, як очікується, вироблятиме чисту електроенергію і потенційно відкриє еру практично безмежного виробництва енергії.
Тест був негайно оголошений успішним, оскільки відповідав усім критеріям, встановленим для проектування нового пристрою термоядерного синтезу, названого SPARC, для якого магніти є ключовою технологією. Пробки з шампанського вибухнули, коли втомлена команда експериментаторів, які довго і наполегливо працювали, щоб зробити це досягнення можливим, святкувала свій успіх.
Але це було далеко не кінець процесу. Протягом наступних місяців команда розібрала і перевірила компоненти магніту, уважно вивчала та аналізувала дані з сотень приладів, які фіксували деталі тестів, і провела два додаткові тестування на тому ж магніті, врешті-решт довівши його до межі, щоб дізнатися деталі можливих режимів відмов.
Усі ці дослідження зараз прийшли до логічного кінця у детальному звіті бадачів із PSFC та компанії Commonwealth Fusion Systems (CFS), що вийшла з MIT, опублікованому в колекції шести рецензованых статей у спеціальному виданні березенського номера IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Разом ці статті описують проектування та виготовлення магніту та діагностичного обладнання, необхідного для оцінки його продуктивності, а також уроки, отримані в процесі. Загалом, команда виявила, що прогнози та комп'ютерне моделювання були точними, підтверджуючи, що унікальні елементи дизайну магніту можуть слугувати основою для термоядерної електростанції.
Уможливлення практичної термоядерної енергії
Успішне випробування магніту, говорить професор інженерії Hitachi America Деніс Уайт, який нещодавно залишив посаду директора PSFC, було “найважливішою річчю, на мою думку, за останні 30 років досліджень термоядерної енергії.”
Перед демонстрацією 5 вересня найкращі доступні надпровідні магніти були настільки потужними, що потенційно могли досягти термоядерної енергії — але лише в розмірах і за витратами, які ніколи не могли б бути практичними або економічно життєздатними. Потім, коли тести показали практичність такого потужного магніту в значно зменшеному розмірі, “за одну ніч, фактично, це змінило вартість за ват термоядерного реактора майже в 40 разів за один день,” говорить Уайт.
“Тепер у термоядерної енергії є шанс,” додає Уайт. Токамаки, найширше використовуваний дизайн для експериментальних термоядерних пристроїв, “мають шанс, на мою думку, бути економічними, оскільки у вас є квантова зміна у вашій здатності, з відомими фізичними правилами обмеження, щодо можливості значно зменшити розмір і вартість об'єктів, які зроблять термоядерну енергію можливою.”
Комплексні дані та аналізи з магнітного тесту PSFC, як детально описано в шести нових статтях, продемонстрували, що плани для нового покоління пристроїв термоядерного синтезу — тих, що розроблені MIT та CFS, а також подібних дизайнів інших комерційних компаній з термоядерного синтезу — базуються на міцному науковому фундаменті.
Суперпровідниковий прорив
Термоядерний синтез, процес об'єднання легких атомів для утворення важчих, живить сонце та зірки, але використання цього процесу на Землі виявилося складним викликом, з десятиліттями важкої праці та витраченими багатьма мільярдами доларів на експериментальні пристрої. Довгоочікувана, але ще не досягнута мета — побудувати електростанцію термоядерного синтезу, яка виробляє більше енергії, ніж споживає. Така електростанція могла б виробляти електрику без викидів парникових газів під час роботи та генерувати дуже мало радіоактивних відходів. Паливо для термоядерного синтезу, форма водню, яку можна отримати з морської води, практично безмежне.
Але для того, щоб це працювало, потрібно стискати паливо при надзвичайно високих температурах і тисках, і оскільки жоден відомий матеріал не може витримати такі температури, паливо повинно утримуватися на місці надзвичайно потужними магнітними полями. Виробництво таких сильних полів вимагає надпровідних магнітів, але всі попередні магніти для термоядерного синтезу були виготовлені з надпровідного матеріалу, який вимагає крижаної температури близько 4 градусів вище абсолютного нуля (4 кельвіна або -270 градусів за Цельсієм). В останні кілька років до магнітів для термоядерного синтезу був доданий новий матеріал з прізвиськом REBCO, що означає оксид барію міді рідкоземельних елементів, який дозволяє їм працювати при 20 кельвінах, температурі, яка, незважаючи на те, що вона всього на 16 кельвінів тепліша, приносить значні переваги з точки зору властивостей матеріалів і практичного інженерії.
Використання цього нового матеріалу з високотемпературною суперпровідністю не обмежувалось його підстановкою в існуючі дизайни магнітів. Навпаки, "це було перебудова з нуля майже всіх принципів, які використовуються для будування суперпроводящих магнітів," - каже Вайт. Новий матеріал REBCO "надзвичайно відрізняється від попереднього покоління суперпроводників. Ти не просто адаптуєш і замінюєш, ти насправді інновуєш з нуля." Нові статті Transactions on Applied Superconductivity описують деталі цього процесу перебудови, тепер коли патентна защита є на місці.
Ключова інновація: без ізоляції
Однією з драматичних інновацій, яка викликала у багатьох інших у цій галузі скептицизм щодо її шансів на успіх, було усунення ізоляції навколо тонких, плоских стрічок надпровідникової стрічки, які формували магніт. Як і практично всі електричні дроти, звичайні надпровідникові магніти повністю захищені ізоляційним матеріалом, щоб запобігти коротким замиканням між дротами. Але в новому магніті стрічка залишалася абсолютно голою; інженери покладалися на значно більшу провідність REBCO, щоб підтримувати потік струму через матеріал.
“Коли ми почали цей проект, скажімо, в 2018 році, технологія використання високотемпературних надпровідників для створення магнітів великого масштабу з високим полем була на початковій стадії,” говорить Зак Хартвіг, професор розвитку кар'єри Роберта Н. Нойса в кафедрі ядерних наук і інженерії. Хартвіг має спільну посаду в PSFC і є керівником його інженерної групи, яка очолила проект розробки магнітів. “Станом на той час були лише невеликі експерименти на столах, які не зовсім відображали те, що потрібно для створення повнорозмірного пристрою. Наш проект розробки магнітів почався з настільного масштабу і закінчився повним масштабом за короткий проміжок часу,” додає він, зазначаючи, що команда створила магніт вагою 20,000 фунтів, який виробляв стабільне, рівномірне магнітне поле трохи більше 20 тесла — набагато більше, ніж будь-яке таке поле, яке коли-небудь було створено в великому масштабі.
“Стандартний спосіб виготовлення цих магнітів полягає в тому, що ви намотуєте провідник, і у вас є ізоляція між намотуваннями, і вам потрібна ізоляція, щоб впоратися з високими напругами, які виникають під час ненормальних подій, таких як зупинка.” Вилучення шарів ізоляції, каже він, “має перевагу бути системою з низькою напругою. Це значно спрощує процеси виготовлення та графік.” Це також залишає більше місця для інших елементів, таких як більше охолодження або більше структури для міцності.
Збірка магніта є трохи меншою версією тих, які утворюватимуть донатоподібну камеру пристрою термоядерного синтезу SPARC, який зараз будується компанією CFS у Девенсі, штат Массачусетс. Вона складається з 16 пластин, званих млинцями, кожна з яких має спіральну намотку надпровідної стрічки з одного боку та канали охолодження для гелієвого газу з іншого.
Але дизайн без ізоляції вважався ризикованим, і багато що залежало від програми випробувань. “Це був перший магніт на будь-якому достатньому масштабі, який дійсно досліджував, що входить у проектування, будівництво та випробування магніта з так званою технологією без ізоляції та без скручування,” говорить Хартвіг. “Це було дуже великою несподіванкою для спільноти, коли ми оголосили, що це котушка без ізоляції.”
Натискаючи на межу … і за її межами
Початкове випробування, описане в попередніх статтях, довело, що процес проектування та виробництва не лише працював, але й був надзвичайно стабільним — у чому деякі дослідники сумнівалися. Наступні два випробування, також проведені наприкінці 2021 року, потім вивели пристрій на межу, навмисно створюючи нестабільні умови, включаючи повне відключення вхідної потужності, що може призвести до катастрофічного перегріву. Відоме як гасіння, це вважається найгіршим сценарієм для роботи таких магнітів, з потенціалом знищити обладнання.
Частиною місії тестової програми, говорить Хартвіг, було “насправді відключити повномасштабний магніт, щоб ми могли отримати критичні дані в правильному масштабі та за правильних умов для просування науки, для валідації проектних кодів, а потім розібрати магніт і подивитися, що пішло не так, чому це сталося, і як ми можемо перейти до наступної ітерації для виправлення цього. … Це був дуже успішний тест.”
Цей фінальний тест, який закінчився таненням одного кута одного з 16 млинців, дав багато нової інформації, говорить Хартвіг. По-перше, вони використовували кілька різних обчислювальних моделей для розробки та прогнозування продуктивності різних аспектів роботи магніту, і в більшості випадків моделі погоджувалися в своїх загальних прогнозах і були добре перевірені серією тестів та реальними вимірюваннями. Але при прогнозуванні ефекту охолодження прогнози моделей розійшлися, тому було необхідно отримати експериментальні дані для оцінки дійсності моделей.
“Найбільш точні моделі, які ми мали, майже точно передбачили, як магніт буде нагріватися, до якої міри він буде нагріватися, коли почне знижуватися, і де буде завдано шкоди магніту,” говорить він. Як детально описано в одному з нових звітів, “Цей тест насправді сказав нам точно, яка фізика відбувалася, і він сказав нам, які моделі були корисними в подальшому, а які слід залишити осторонь, оскільки вони неправильні.”
Уайт говорить: “В основному, ми зробили найгірше, що можна зробити з котушкою, навмисно, після того, як протестували всі інші аспекти роботи котушки. І ми виявили, що більшість котушки вижила без пошкоджень,” тоді як одна ізольована область зазнала деякого плавлення. “Це приблизно кілька відсотків обсягу котушки, які були пошкоджені.” І це призвело до змін у дизайні, які, як очікується, запобігатимуть таким пошкодженням у магнітах фактичних пристроїв термоядерного синтезу, навіть за найекстремальніших умов.
Гартвіг підкреслює, що основною причиною, чому команді вдалося досягти такого радикального нового рекордного дизайну магніту і зробити це з першого разу в умовах шаленої швидкості, стало глибоке знання, експертиза та обладнання, накопичені за десятиліття роботи токамака Alcator C-Mod, Лабораторії магнітів Френсіса Біттера та інших робіт, проведених у PSFC. “Це стосується суті інституційних можливостей такого місця, як це,” говорить він. “У нас були можливості, інфраструктура, простір і люди, щоб робити ці речі під одним дахом.”
Співпраця з CFS також була ключовою, каже він, оскільки MIT та CFS поєднали найпотужніші аспекти академічної установи та приватної компанії, щоб робити разом те, що жоден з них не зміг би зробити самостійно. “Наприклад, одним з основних внесків CFS було використання потужності приватної компанії для створення та масштабування ланцюга постачання на безпрецедентному рівні та в терміни для найкритичнішого матеріалу в проекті: 300 кілометрів (186 миль) надпровідника високої температури, який був закуплений з суворим контролем якості менш ніж за рік і інтегрований за графіком у магніт.”
Інтеграція двох команд, тих, хто з MIT, і тих, хто з CFS, також була вирішальною для успіху, каже він. “Ми вважали себе однією командою, і це зробило можливим те, що ми зробили.”
