Vào những giờ trước bình minh của ngày 5 tháng 9 năm 2021, các kỹ sư đã đạt được một cột mốc quan trọng trong phòng thí nghiệm của Trung tâm Khoa học Plasma và Fusion của MIT (PSFC), khi một loại nam châm mới, được làm từ vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao, đã đạt được cường độ từ trường kỷ lục thế giới là 20 tesla cho một nam châm quy mô lớn. Đây là cường độ cần thiết để xây dựng một nhà máy điện fusion dự kiến sẽ sản xuất ra công suất ròng và có thể mở ra một kỷ nguyên với khả năng sản xuất năng lượng hầu như không giới hạn.
Buổi thử nghiệm ngay lập tức được tuyên bố là thành công, đã đáp ứng tất cả các tiêu chí được thiết lập cho việc thiết kế thiết bị fusion mới, được đặt tên là SPARC, trong đó nam châm là công nghệ then chốt. Tiếng nút chai sâm panh vang lên khi đội ngũ thực nghiệm mệt mỏi, những người đã làm việc cật lực và chăm chỉ để biến thành tựu này thành hiện thực, ăn mừng sự thành công của họ.
Nhưng đó còn xa mới là kết thúc của quá trình. Trong những tháng tiếp theo, đội ngũ đã tháo rời và kiểm tra các thành phần của nam châm, nghiên cứu và phân tích dữ liệu từ hàng trăm dụng cụ đã ghi lại chi tiết của các bài kiểm tra, và thực hiện hai đợt chạy thử nghiệm bổ sung trên cùng một nam châm, cuối cùng đẩy nó đến giới hạn phá vỡ để tìm hiểu chi tiết về bất kỳ chế độ thất bại tiềm ẩn nào.
Tất cả công việc này hiện đã đạt đến đỉnh điểm với một báo cáo chi tiết bởi các nhà nghiên cứu tại PSFC và công ty con của MIT là Commonwealth Fusion Systems (CFS), được công bố trong bộ sưu tập sáu bài báo đồng đẳng thẩm định trong số đặc biệt của tạp chí tháng Ba. IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Cùng nhau, các bài báo mô tả thiết kế và quá trình chế tạo nam châm cùng thiết bị chẩn đoán cần thiết để đánh giá hiệu suất của nó, cũng như những bài học được rút ra từ quá trình này. Nhìn chung, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng các dự đoán và mô hình hóa máy tính là chính xác, xác nhận rằng các yếu tố thiết kế độc đáo của nam châm có thể trở thành nền tảng cho một nhà máy điện hạt nhân tổng hợp.
Khai thông năng lượng hạt nhân tổng hợp thực tiễn
Thử nghiệm thành công nam châm, theo Giáo sư Kỹ thuật Dennis Whyte của Hitachi America, người vừa rời khỏi vị trí giám đốc của PSFC, là 'điều quan trọng nhất, theo ý kiến của tôi, trong 30 năm nghiên cứu về năng lượng hạt nhân tổng hợp.'
Trước cuộc triển lãm ngày 5 tháng 9, những nam châm siêu dẫn tốt nhất có sẵn đủ mạnh để có thể đạt được năng lượng fusion - nhưng chỉ ở quy mô và chi phí không bao giờ thực tế hoặc khả thi về mặt kinh tế. Sau đó, khi các bài kiểm tra cho thấy tính khả thi của một nam châm mạnh như vậy với kích thước nhỏ hơn đáng kể, 'chỉ trong một đêm, nó cơ bản đã thay đổi chi phí trên mỗi watt của lò phản ứng fusion lên tới 40 lần trong một ngày,' Whyte nói.
‘Bây giờ fusion đã có cơ hội,’ Whyte bổ sung. Tokamaks, thiết kế được sử dụng rộng rãi nhất cho các thiết bị thử nghiệm fusion, ‘có cơ hội, theo quan điểm của tôi, là kinh tế vì bạn có sự thay đổi lớn trong khả năng, với các quy tắc vật lý nhốt plasma đã biết, về việc có thể giảm đáng kể kích thước và chi phí của các đối tượng sẽ làm cho fusion trở thành hiện thực.'
Dữ liệu và phân tích toàn diện từ bài kiểm tra nam châm của PSFC, như được nêu chi tiết trong sáu bài báo mới, đã chứng minh rằng kế hoạch cho thế hệ máy móc fusion mới - cái được thiết kế bởi MIT và CFS, cũng như các thiết kế tương tự từ các công ty thương mại khác về fusion - được xây dựng trên một nền tảng vững chắc trong khoa học.
Sự đột phá về siêu dẫn
Fusion, quá trình kết hợp các nguyên tử nhẹ để tạo thành những nguyên tử nặng hơn, cung cấp năng lượng cho mặt trời và các vì sao, nhưng việc khai thác quá trình này trên Trái đất đã chứng minh là một thách thức lớn, với nhiều thập kỷ làm việc vất vả và hàng tỷ đô la đã được đầu tư vào các thiết bị thí nghiệm. Mục tiêu mà người ta vẫn tìm kiếm, nhưng chưa bao giờ đạt được, là xây dựng một nhà máy điện fusion sản xuất nhiều năng lượng hơn so với lượng năng lượng nó tiêu thụ. Một nhà máy điện như vậy có thể sản xuất điện mà không thải khí nhà kính trong quá trình vận hành, và tạo ra rất ít chất thải phóng xạ. Nhiên liệu cho fusion, một dạng hydro có thể được chiết xuất từ nước biển, là vô tận.
Tuy nhiên, để làm cho nó hoạt động cần phải nén nhiên liệu ở nhiệt độ và áp suất cực kỳ cao, và vì không có vật liệu nào đã biết có thể chịu được nhiệt độ như vậy, nên nhiên liệu phải được giữ cố định bằng các trường từ cực mạnh. Việc tạo ra các trường từ mạnh như vậy yêu cầu sử dụng nam châm siêu dẫn, nhưng tất cả các nam châm hợp nhất trước đây đều được làm từ một vật liệu siêu dẫn đòi hỏi nhiệt độ lạnh giá khoảng 4 độ trên mức tuyệt đối (4 kelvins, hoặc -270 độ Celsius). Trong vài năm gần đây, một vật liệu mới hơn được đặt biệt danh là REBCO, viết tắt của oxide đồng thạch anh đất hiếm, đã được thêm vào các nam châm hợp nhất, và cho phép chúng hoạt động ở 20 kelvins, một nhiệt độ mà mặc dù chỉ ấm hơn 16 kelvins, nhưng mang lại những lợi thế đáng kể về đặc tính vật liệu và kỹ thuật thực tế.
Việc tận dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao mới này không chỉ đơn giản là thay thế nó vào các thiết kế nam châm hiện có. Thay vào đó, “đó là việc làm lại từ đầu hầu hết các nguyên tắc mà bạn sử dụng để xây dựng nam châm siêu dẫn,” Whyte nói. Vật liệu REBCO mới là “rất khác so với thế hệ siêu dẫn trước đây. Bạn không chỉ điều chỉnh và thay thế, mà thực sự bạn sẽ phải sáng tạo từ đầu.” Các bài báo mới Giao dịch về Siêu dẫn Ứng dụng mô tả chi tiết quá trình thiết kế lại đó, bây giờ khi bảo hộ bằng sáng chế đã được đặt ra.
Một sáng chế quan trọng: không có cách điện
Một trong những cải tiến đáng kinh ngạc, điều này đã khiến nhiều người trong lĩnh vực này hoài nghi về khả năng thành công của nó, là việc loại bỏ vật liệu cách điện xung quanh các dải băng siêu dẫn mỏng và phẳng tạo thành nam châm. Giống như hầu hết các dây điện thông thường, các nam châm siêu dẫn truyền thống được bảo vệ hoàn toàn bởi vật liệu cách điện để ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch giữa các dây điện. Nhưng trong nam châm mới, băng được để trơ trọi hoàn toàn; các kỹ sư dựa vào độ dẫn điện cao hơn nhiều của REBCO để duy trì dòng điện chảy qua vật liệu.
“Khi chúng tôi bắt đầu dự án này, vào khoảng năm 2018, công nghệ sử dụng siêu dẫn ở nhiệt độ cao để xây dựng nam châm trường mạnh quy mô lớn vẫn còn trong giai đoạn khởi đầu,” Giáo sư Zach Hartwig, Giáo sư Phát triển Nghề nghiệp Robert N. Noyce tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, cho biết. Hartwig có vị trí đồng nhiệm tại PSFC và là trưởng nhóm kỹ thuật của trung tâm này, nhóm đã lãnh đạo dự án phát triển nam châm. “Công nghệ tiên tiến nhất lúc đó chỉ dừng lại ở các thí nghiệm nhỏ trên bàn thí nghiệm, không thực sự đại diện cho những gì cần thiết để xây dựng một sản phẩm toàn phần. Dự án phát triển nam châm của chúng tôi bắt đầu từ quy mô bàn thí nghiệm và đã đạt đến quy mô đầy đủ trong một khoảng thời gian ngắn,” ông thêm, lưu ý rằng đội ngũ đã chế tạo một nam châm nặng 20.000 pound tạo ra một trường từ ổn định và đều đặn với cường độ hơn 20 tesla - vượt xa bất kỳ trường từ nào từng được tạo ra ở quy mô lớn.
“Cách tiếp cận chuẩn để tạo ra các nam châm này là bạn sẽ cuộn dây dẫn và có vật liệu cách điện giữa các vòng dây, và bạn cần cách điện để xử lý các điện áp cao được sinh ra trong các sự kiện bất thường như khi ngừng hoạt động.” Việc loại bỏ các lớp cách điện, ông nói, “có lợi thế của một hệ thống điện áp thấp. Nó làm đơn giản hóa đáng kể các quy trình sản xuất và lịch trình.” Điều này cũng tạo thêm không gian cho các yếu tố khác, chẳng hạn như làm mát nhiều hơn hoặc cấu trúc mạnh mẽ hơn.
Bộ phận lắp ráp nam châm là phiên bản nhỏ hơn một chút so với những bộ phận sẽ tạo thành buồng hình chiếc nhẫn của thiết bị hợp nhất SPARC đang được xây dựng bởi CFS tại Devens, Massachusetts. Nó bao gồm 16 tấm, gọi là bánh quy, mỗi tấm có một cuộn dây xoắn ốc của băng siêu dẫn trên một mặt và kênh làm mát khí hely trên mặt kia.
Tuy nhiên, thiết kế không có vật liệu cách điện được coi là mạo hiểm, và rất nhiều điều phụ thuộc vào chương trình thử nghiệm. 'Đây là nam châm đầu tiên ở quy mô đủ lớn để thực sự tìm hiểu những gì liên quan đến việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một nam châm với công nghệ không cách điện, không xoắn này,' Hartwig nói. 'Việc chúng tôi thông báo rằng đây là cuộn dây không cách điện đã thực sự gây ngạc nhiên cho cộng đồng.'
Đẩy đến giới hạn ... và hơn thế nữa
Buổi thử nghiệm ban đầu, được mô tả trong các bài báo trước đây, đã chứng minh rằng thiết kế và quy trình sản xuất không chỉ hoạt động mà còn rất ổn định - điều mà một số nhà nghiên cứu đã nghi ngờ. Hai lần thử nghiệm tiếp theo, cũng được thực hiện vào cuối năm 2021, đã đẩy thiết bị đến giới hạn bằng cách cố ý tạo ra các điều kiện không ổn định, bao gồm việc ngắt hoàn toàn nguồn điện, có thể dẫn đến tình trạng quá nhiệt thảm khốc. Được gọi là hiện tượng xả từ, đây được coi là kịch bản xấu nhất trong quá trình vận hành của các nam châm như vậy, với khả năng phá hủy thiết bị.
Một phần sứ mệnh của chương trình thử nghiệm, Hartwig nói, là 'thực sự đi và cố ý làm giảm nhiệt một nam châm quy mô đầy đủ, để chúng ta có thể thu thập dữ liệu quan trọng ở quy mô phù hợp và điều kiện đúng đắn nhằm thúc đẩy khoa học, xác nhận các mã thiết kế, và sau đó tháo rời nam châm ra để xem điều gì đã sai, tại sao nó lại sai, và làm thế nào để thực hiện lần lặp lại tiếp theo hướng tới việc sửa chữa vấn đề. … Đây là một bài kiểm tra rất thành công.'
Bài kiểm tra cuối cùng, vốn kết thúc với việc tan chảy một góc của một trong 16 chiếc bánh kếp, đã cung cấp một lượng lớn thông tin mới, Hartwig cho biết. Trước hết, họ đã sử dụng nhiều mô hình tính toán khác nhau để thiết kế và dự đoán hiệu suất của các khía cạnh khác nhau về hiệu suất của nam châm, và phần lớn, các mô hình này đồng ý với nhau trong các dự đoán tổng thể và đã được xác nhận tốt bởi loạt bài kiểm tra và các phép đo thực tế. Nhưng trong việc dự đoán tác động của quá trình xả, các dự đoán từ mô hình lại khác biệt, vì vậy cần phải có dữ liệu thí nghiệm để đánh giá tính chính xác của các mô hình.
“Những mô hình có độ trung thực cao nhất mà chúng tôi đã dự đoán gần như chính xác cách nam châm sẽ nóng lên, mức độ nó sẽ nóng lên khi bắt đầu quá trình xả và vị trí của hư hại đối với nam châm sẽ ở đâu,” ông nói. Như được mô tả chi tiết trong một trong những báo cáo mới, “Kiểm tra đó thực sự cho chúng tôi biết chính xác vật lý đang diễn ra, và nó cho chúng tôi biết những mô hình nào hữu ích để tiếp tục sử dụng và những mô hình nào cần loại bỏ vì chúng không chính xác.”
Whyte nói, “Cơ bản là chúng tôi đã cố tình làm điều tồi tệ nhất có thể đối với cuộn dây sau khi chúng tôi đã kiểm tra tất cả các khía cạnh khác về hiệu suất của cuộn dây. Và chúng tôi phát hiện ra rằng hầu hết cuộn dây vẫn sống sót mà không bị hư hại,” trong khi một khu vực cô lập đã bị tan chảy một chút. “Giống như chỉ vài phần trăm thể tích của cuộn dây bị hư hại.” Và điều đó đã dẫn đến việc sửa đổi thiết kế, dự kiến sẽ ngăn chặn hư hại như vậy trong các nam châm của thiết bị hợp nhất thực tế, ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt nhất.
Hartwig nhấn mạnh rằng một lý do chính khiến đội ngũ có thể đạt được thiết kế nam châm phá kỷ lục hoàn toàn mới, và làm đúng ngay từ lần đầu tiên với lịch trình khẩn trương, là nhờ vào mức độ sâu rộng của kiến thức, chuyên môn, và trang thiết bị tích lũy qua nhiều thập kỷ hoạt động của tokamak Alcator C-Mod, Phòng Thí Nghiệm Nam Châm Francis Bitter, và các công việc khác được thực hiện tại PSFC. “Điều này đi thẳng vào cốt lõi năng lực tổ chức của một nơi như thế này,” ông nói. “Chúng tôi có khả năng, cơ sở hạ tầng, không gian và con người để thực hiện những điều này dưới một mái nhà.”
Việc hợp tác với CFS cũng là yếu tố then chốt, ông nói, khi MIT và CFS kết hợp những khía cạnh mạnh mẽ nhất của một tổ chức học thuật và một công ty tư nhân để cùng làm những điều mà không bên nào có thể thực hiện được một mình. 'Ví dụ, một trong những đóng góp lớn từ CFS là tận dụng sức mạnh của một công ty tư nhân để thiết lập và mở rộng chuỗi cung ứng ở một mức độ và thời gian chưa từng có cho vật liệu quan trọng nhất trong dự án: 300 kilômét (186 dặm) dây siêu dẫn nhiệt cao, đã được thu mua với sự kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt trong vòng chưa đầy một năm, và tích hợp đúng tiến độ vào nam châm.'
Việc tích hợp giữa hai đội nhóm, từ MIT và từ CFS, cũng là yếu tố then chốt cho sự thành công, ông nói. 'Chúng tôi tự coi mình như một đội nhóm duy nhất, và điều đó đã giúp chúng tôi đạt được những gì chúng tôi đã làm.'
