_ Testele arată că magneții supraconductori de temperatură sunt pregătiți pentru fuziune

În orele dinaintea zorilor zilei de 5 septembrie 2021, inginerii au atins o etapă majoră în laboratoarele Centrului de știință și fuziune a plasmei (PSFC) al MIT, când un nou tip de magnet , realizat din material supraconductor la temperatură înaltă, a atins un câmp magnetic record mondial de 20 tesla pentru un magnet la scară mare. Aceasta este intensitatea necesară pentru a construi o centrală electrică de fuziune care se așteaptă să producă o putere netă și, potențial, să inaugureze o eră a producției de energie practic nelimitată.

Testul a fost imediat declarat un succes, după ce a îndeplinit toate criteriile stabilite pentru proiectarea noului dispozitiv de fuziune, denumit SPARC, pentru care magneții sunt tehnologia cheie de activare. Dopurile de șampanie au izbucnit în timp ce echipa obosită de experimentatori, care a muncit mult și din greu pentru a face posibilă realizarea, și-a sărbătorit realizarea.

Dar asta era departe de sfârșitul procesului. De-a lungul lunilor care au urmat, echipa a rupt și inspectat componentele magnetului, a analizat și analizat datele de la sute de instrumente care au înregistrat detaliile testelor și a efectuat două teste suplimentare pe același magnet, împingându-l în cele din urmă la locul său. punctul de rupere pentru a afla detaliile oricăror posibile moduri de defecțiune.

Toată această muncă a culminat acum într-un raport detaliat al cercetătorilor de la PSFC și compania spinout MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS), publicat într-un colecție de șase lucrări revizuite de colegi într-o ediție specială a ediției din martie a IEEE Transactions on Applied Superconductivity.

Împreună, lucrările descriu proiectarea și fabricarea magnetului și echipamentul de diagnosticare necesar pentru evaluarea performanței acestuia. , precum și lecțiile învățate din proces. În general, a descoperit echipa, predicțiile și modelarea computerizată au fost perfecte, verificând că elementele unice de design ale magnetului ar putea servi drept fundație pentru o centrală electrică de fuziune.

Testul de succes al magnetului, spune Hitachi Profesorul american de inginerie Dennis Whyte, care a demisionat recent din funcția de director al PSFC, a fost „cel mai important lucru, în opinia mea, din ultimii 30 de ani de cercetare a fuziunii”.

Înainte de 5 septembrie. Demonstrația, cei mai buni magneți supraconductori disponibili au fost suficient de puternici pentru a obține potențial energie de fuziune, dar numai la dimensiuni și costuri care nu ar putea fi niciodată practice sau viabile din punct de vedere economic. Apoi, când testele au arătat caracterul practic al unui magnet atât de puternic la o dimensiune mult redusă, „peste noapte, practic a schimbat costul pe watt al unui reactor de fuziune cu un factor de aproape 40 într-o singură zi”, spune Whyte.

„Acum fuziunea are o șansă”, adaugă Whyte. Tokamak-urile, cel mai utilizat design pentru dispozitivele experimentale de fuziune, „au șansa, în opinia mea, de a fi economice, deoarece ai o schimbare cuantică în capacitatea ta, cu regulile cunoscute ale fizicii confinării, despre a putea reduce foarte mult dimensiunea și costul obiectelor care ar face posibilă fuziunea.”

Datele și analiza cuprinzătoare din testul cu magnet PSFC, așa cum este detaliat în cele șase noi lucrări, au demonstrat că planurile pentru o nouă generație de dispozitive de fuziune — cel proiectat de MIT și CFS, precum și proiecte similare ale altor companii comerciale de fuziune — sunt construite pe o bază solidă în știință.

Fuziunea, procesul de combinare a atomilor ușori pentru a forma alții mai grei, puteri soarele și stelele, dar valorificarea acestui proces pe Pământ s-a dovedit a fi o provocare descurajantă, cu zeci de ani de muncă grea și multe miliarde de dolari cheltuiți pe dispozitive experimentale.

Scopul mult căutat, dar încă niciodată atins, este construirea unei centrale electrice de fuziune care să producă mai multă energie decât consumă. O astfel de centrală ar putea produce energie electrică fără să emită gaze cu efect de seră în timpul funcționării și să genereze foarte puține deșeuri radioactive. Combustibilul Fusion, o formă de hidrogen care poate fi derivată din apa de mare, este practic nelimitat.

Dar pentru ca acesta să funcționeze necesită comprimarea combustibilului la temperaturi și presiuni extraordinar de ridicate și, deoarece niciun material cunoscut nu ar putea rezista la astfel de temperaturi , combustibilul trebuie menținut pe loc de câmpuri magnetice extrem de puternice. Producerea unor astfel de câmpuri puternice necesită magneți supraconductori, dar toți magneții de fuziune anteriori au fost fabricați cu un material supraconductor care necesită temperaturi frigide de aproximativ 4 grade peste zero absolut (4 kelvin, sau -270 °C).

În în ultimii ani, un material mai nou poreclit REBCO, pentru oxidul de cupru de bariu din pământuri rare, a fost adăugat magneților de fuziune și le permite să funcționeze la 20 kelvin, o temperatură care, deși este cu doar 16 kelvin mai caldă, aduce avantaje semnificative în ceea ce privește proprietățile materialelor și inginerie practică.

Profita de acest nou material supraconductor de temperatură mai ridicată nu a fost doar o chestiune de a-l înlocui în modelele de magneti existente. În schimb, „a fost o reluare de la bază a aproape tuturor principiilor pe care le folosiți pentru a construi magneți supraconductori”, spune Whyte. Noul material REBCO este „extraordinar de diferit de generația anterioară de supraconductori. Nu doar te vei adapta și înlocui, ci vei inove de la zero”. Noile lucrări din IEEE Transactions on Applied Superconductivity descriu detaliile procesului de reproiectare, acum că protecția prin brevet este în vigoare.

O inovație cheie: Fără izolație

Una dintre inovațiile dramatice. , care i-a avut pe mulți alții din domeniu sceptici cu privire la șansele sale de succes, a fost eliminarea izolației din jurul benzilor subțiri și plate de bandă supraconductoare care formau magnetul. Ca practic toate firele electrice, magneții supraconductori convenționali sunt complet protejați de material izolator pentru a preveni scurtcircuitele între fire. Dar în noul magnet, banda a rămas complet goală; inginerii s-au bazat pe conductivitatea mult mai mare a REBCO pentru a menține curentul care curge prin material.

„Când am început acest proiect, să spunem în 2018, tehnologia de utilizare a supraconductoarelor de înaltă temperatură pentru a construi la scară largă. magneții de câmp era la început,” spune Zach Hartwig, profesor Robert N. Noyce de dezvoltare a carierei în cadrul Departamentului de Știință și Inginerie Nucleară. Hartwig are o numire în comun la PSFC și este șeful grupului său de inginerie, care a condus proiectul de dezvoltare a magnetului.

„Stadiul tehnicii a fost experimente mici pe banc, nu chiar reprezentative pentru ceea ce este nevoie. pentru a construi un lucru de dimensiune completă. Proiectul nostru de dezvoltare a magnetului a început la scară de lucru și a ajuns la scară maximă într-o perioadă scurtă de timp", adaugă el, menționând că echipa a construit un magnet de 20.000 de lire sterline care a produs un magnet constant, uniform. câmp de puțin peste 20 tesla — cu mult peste orice astfel de câmp produs vreodată la scară largă.

„Modul standard de a construi acești magneți este să înfășurați conductorul și să aveți izolație între înfășurări și aveți nevoie de izolație pentru a face față tensiunilor înalte care sunt generate în timpul evenimentelor nenormale, cum ar fi o oprire.” Eliminarea straturilor de izolație, spune el, „are avantajul de a fi un sistem de joasă tensiune. Simplifică foarte mult procesele de fabricație și programul”. De asemenea, lasă mai mult loc pentru alte elemente, cum ar fi mai multă răcire sau mai multă structură pentru rezistență.

Ansamblul magnet este o versiune la scară puțin mai mică a celor care vor forma camera în formă de gogoașă a dispozitivului de fuziune SPARC, construit acum de CFS în Devens, Massachusetts. Este format din 16 plăci, numite clătite, fiecare purtând o înfășurare în spirală a benzii supraconductoare pe o parte și canale de răcire pentru gazul de heliu pe cealaltă.

Dar designul fără izolație a fost considerat riscant și un lot mergea pe programul de testare. „Acesta a fost primul magnet la orice scară suficientă care a testat cu adevărat ceea ce este implicat în proiectarea, construirea și testarea unui magnet cu această așa-numită tehnologie fără izolație și fără răsucire”, spune Hartwig. „A fost o surpriză pentru comunitate când am anunțat că este o bobină fără izolație.”

Testul inițial, descris în lucrările anterioare, a demonstrat că procesul de proiectare și producție nu numai că a funcționat, ci și era extrem de stabil – ceva de care unii cercetători se îndoiaseră. Următoarele două teste, efectuate de asemenea la sfârșitul anului 2021, au împins apoi dispozitivul la limită, creând în mod deliberat condiții instabile, inclusiv o întrerupere completă a puterii de intrare care poate duce la o supraîncălzire catastrofală. Cunoscut sub numele de stingere, acesta este considerat un scenariu cel mai rău caz pentru funcționarea unor astfel de magneți, cu potențialul de a distruge echipamentul.

O parte a misiunii programului de testare, spune Hartwig, a fost „de fapt de a porniți și stingeți în mod intenționat un magnet la scară maximă, astfel încât să putem obține datele critice la scara potrivită și condițiile potrivite pentru a avansa știința, pentru a valida codurile de proiectare și apoi pentru a demonta magnetul și a vedea ce a mers prost , de ce a mers prost și cum facem următoarea iterație pentru a remedia asta... A fost un test foarte reușit.”

Acel final, care s-a încheiat cu topirea unui colț al unuia dintre cele 16 clătite au produs o mulțime de informații noi, spune Hartwig. În primul rând, au folosit mai multe modele de calcul diferite pentru a proiecta și prezice performanța diferitelor aspecte ale performanței magnetului și, în cea mai mare parte, modelele au fost de acord în predicțiile lor generale și au fost bine validate de seria de teste și măsurători din lumea reală. Dar, în prezicerea efectului stingerii, predicțiile modelului s-au diferențiat, așa că a fost necesar să obținem date experimentale pentru a evalua validitatea modelelor.

„Modelele cu cea mai înaltă fidelitate pe care le-am prezis aproape exact cum magnetul s-ar încălzi, în ce măsură s-ar încălzi când a început să se stingă și unde ar fi deteriorarea rezultată a magnetului", spune el. După cum este descris în detaliu într-unul dintre noile rapoarte, „Acest test ne-a spus de fapt exact fizica care se desfășoară și ne-a spus care modele sunt utile în viitor și pe care să lăsăm pe margine pentru că nu sunt potrivite”.

Whyte spune: „Practic, am făcut cel mai rău lucru posibil unei bobine, intenționat, după ce am testat toate celelalte aspecte ale performanței bobinei. Și am constatat că cea mai mare parte a bobinei a supraviețuit fără nicio deteriorare, „în timp ce o zonă izolată a suferit o oarecare topire. „Este ca câteva procente din volumul bobinei care s-a deteriorat”. Și asta a condus la revizuiri ale designului care se așteaptă să prevină o astfel de deteriorare a magneților dispozitivului de fuziune, chiar și în cele mai extreme condiții.

Hartwig subliniază că un motiv major pentru care echipa a reușit să realizeze un astfel de Noul design radical al magnetului, care stabilește recorduri, și faceți-l corect de prima dată și într-un program vertiginos, a fost datorită nivelului profund de cunoștințe, expertiză și echipament acumulat de-a lungul deceniilor de funcționare a tokamakului Alcator C-Mod, Francis. Bitter Magnet Laboratory și alte lucrări efectuate la PSFC. „Acest lucru merge în centrul capacităților instituționale ale unui loc ca acesta”, spune el. „Am avut capacitatea, infrastructura și spațiul și oamenii pentru a face aceste lucruri sub un singur acoperiș”.

Colaborarea cu CFS a fost, de asemenea, cheie, spune el, cu MIT și CFS combinând cele mai puternice aspecte ale unei instituții academice și ale unei companii private pentru a face împreună lucruri pe care niciunul nu le-ar fi putut face pe cont propriu. „De exemplu, una dintre contribuțiile majore ale CFS a fost valorificarea puterii unei companii private de a stabili și extinde un lanț de aprovizionare la un nivel și un calendar fără precedent pentru cel mai critic material din proiect: 300 de kilometri (186 de mile) de înălțime. -superconductor de temperatură, care a fost achiziționat cu un control riguros al calității în mai puțin de un an și integrat la timp în magnet.”

Integrarea celor două echipe, cele de la MIT și cele de la CFS, a fost, de asemenea, crucială. spre succes, spune el. „Ne-am gândit la noi ca o singură echipă, iar asta a făcut posibil să facem ceea ce am făcut.”

Această poveste este republicată prin amabilitatea MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site popular care acoperă știri despre cercetarea, inovarea și predarea MIT.

(Fluierul)