Verdens mest kraftfulde magnet klar til afsendelse

Efter et årti med design og fremstilling, General Atomics er klar til at sende det første modul i Central Solenoid, verdens mest kraftfulde magnet. Det bliver en central komponent i ITER, en maskine, der replikerer solens fusionskraft. ITER bygges i det sydlige Frankrig af 35 partnerlande.

ITER's mission er at bevise, at energi fra brintfusion kan skabes og kontrolleres på jorden. Fusionsenergi er kulstoffri, sikker og økonomisk. Materialerne til at drive samfundet med brintfusion i millioner af år er let rigelige.

På trods af udfordringerne ved Covid-19, ITER er næsten 75 procent bygget. I de sidste 15 måneder har massive første-i-en-slags komponenter er begyndt at ankomme til Frankrig fra tre kontinenter. Når de er samlet, de vil udgøre ITER Tokamak, en "sol på jorden" for at demonstrere fusion i industriel skala.

ITER er et samarbejde mellem 35 partnerlande:Den Europæiske Union (plus Storbritannien og Schweiz), Kina, Indien, Japan, Korea, Rusland og USA. Det meste af ITER's finansiering er i form af bidragskomponenter. Dette arrangement driver virksomheder som General Atomics til at udvide deres ekspertise inden for de futuristiske teknologier, der er nødvendige for fusion.

Den centrale magnetventil, den største af ITERs magneter, består af seks moduler. Det er et af de største bidrag fra USA til ITER i USA.

Fuldt samlet, den bliver 18 meter høj og 4,25 meter bred, og vejer tusinde tons. Det vil fremkalde en kraftig strøm i ITER -plasmaet, hjælper med at forme og kontrollere fusionsreaktionen under lange impulser. Det kaldes undertiden ITER -maskinens "bankende hjerte".

Hvor kraftig er den centrale magnetventil? Dens magnetiske kraft er stærk nok til at løfte et hangarskib 2 meter (6 fod) op i luften. Kernen, det vil nå en magnetfeltstyrke på 13 Tesla, omkring 280, 000 gange stærkere end jordens magnetfelt. Støttekonstruktionerne til den centrale magnet vil skulle modstå kræfter svarende til det dobbelte af stødet fra en rumfærge.

Tidligere i år, General Atomics (GA) afsluttede den endelige test af det første Central Solenoid -modul. I denne uge læsses den på en særlig tungtransportvogn til forsendelse til Houston, hvor det vil blive placeret på et havgående skib til forsendelse til det sydlige Frankrig.

Den centrale magnet vil spille en kritisk rolle i ITER's mission om at etablere fusionsenergi som en praktisk, sikker og uudtømmelig kilde til ren, rigelig og kulstoffri elektricitet.

"Dette projekt er blandt de største, mest komplekse og krævende magnetprogrammer, der nogensinde er gennemført, "siger John Smith, GA's direktør for teknik og projekter. "Jeg taler for hele teamet, når jeg siger, at dette er det vigtigste og mest betydningsfulde projekt i vores karriere. Vi har alle følt ansvaret for at arbejde på et job, der har potentiale til at ændre verden. Dette er en betydelig præstation for GA team og US ITER. "

De centrale magnetiske moduler fremstilles på GA's Magnet Technologies Center i Poway, Californien, i nærheden af ​​San Diego, under ledelse af det amerikanske ITER -projekt, administreret af Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Fem yderligere centrale magnetiske moduler, plus en ekstra, befinder sig på forskellige stadier af fremstilling. Modul 2 sendes i august.

Løbet om fusion

Hydrogenfusion er en ideel metode til at generere energi. Deuterium -brændstoffet er let tilgængeligt i havvand, og det eneste biprodukt er helium. Som en gas, kul, eller fissionsanlæg, et fusionsanlæg vil levere stærkt koncentreret, baseload energi døgnet rundt. Alligevel producerer fusion ingen drivhusgasemissioner eller radioaktivt affald med lang levetid. Risikoen for ulykker med et fusionsanlæg er meget begrænset - hvis inddæmning går tabt, fusionsreaktionen stopper simpelthen.

Fusionsenergi er tættere på, end mange mennesker er klar over. Det kunne give en kilde til kulstoffri elektricitet til nettet, spiller en nøglerolle, da USA og andre nationer dekarboniserer deres generationsinfrastruktur. To nylige rapporter udgivet af fusionssamfundet beskriver, hvordan USA kan komme dertil.

I december, det amerikanske Department of Energy Fusion Energy Sciences Advisory Committee offentliggjorde en rapport, der indeholder en strategisk plan for fusionsenergi- og plasmavidenskabelig forskning i løbet af det næste årti. Det opfordrer til udvikling og opførelse af et fusionspilotanlæg inden 2040.

I februar i år, de nationale videnskabsakademier, Ingeniørarbejde, og medicin (NASEM) udsendte en supplerende rapport, der opfordrede til aggressiv handling for at bygge et pilotkraftværk. NASEM-rapporten foreslår et design inden 2028 og et fusionspilotanlæg i tidslinjen 2035-2040.

"Pointen med at arbejde ud fra denne tidslinje var at skitsere, hvad det ville kræve for at få indflydelse på overgangen til reducerede CO2-emissioner i midten af ​​århundredet. Mange investeringer og væsentlige aktiviteter skulle begynde nu for at nå denne tidsplan, "siger Kathy McCarthy, Direktør for US ITER Project Office på Oak Ridge National Laboratory. "Den erfaring, vi får fra ITER inden for integreret, reaktor-skala engineering er uvurderlig for at realisere en levedygtig, praktisk vej til fusionsenergi. "

Udnyttelse af globale ressourcer til fusionsforskning

ITER ("Vejen" på latin) er et af de mest ambitiøse energiprojekter, der nogensinde er blevet forsøgt. I det sydlige Frankrig, en koalition af 35 nationer samarbejder om at bygge den største og mest kraftfulde tokamak -fusionsenhed. Den eksperimentelle kampagne, der skal gennemføres på ITER, er afgørende for at forberede vejen til morgendagens fusionskraftværker.

I henhold til ITER -aftalen fra 2006 alle medlemmer vil dele ligeligt i den udviklede teknologi, mens de kun finansierer en del af de samlede omkostninger. USA bidrager med omkring ni procent af ITERs byggeomkostninger.

"ITER -projektet er det mest komplekse videnskabelige samarbejde i historien, "siger Dr. Bernard Bigot, Generaldirektør for ITER-organisationen. "Meget udfordrende First-of-a-kind-komponenter fremstilles på tre kontinenter i løbet af en næsten 10-årig periode af førende virksomheder som General Atomics. Hver komponent repræsenterer et ingeniørteam i top. Uden denne globale deltagelse, ITER ville ikke have været muligt; men som en samlet indsats, hvert hold udnytter sin investering ved, hvad det lærer af de andre. "

Både den tekniske indsigt og de videnskabelige data genereret af ITER vil være afgørende for det amerikanske fusionsprogram. Som med de andre medlemmer, Størstedelen af ​​amerikanske bidrag er i form af naturproduktion. Denne tilgang giver medlemslandene mulighed for at støtte indenlandsk fremstilling, skabe højteknologiske job, og udvikle nye muligheder i den private industri.

"Levering af det første ITER Central Solenoid -modul er en spændende milepæl for demonstration af fusionsenergi og også en fantastisk opnåelse af amerikansk kapacitet til at bygge meget store, højt felt, superledende superledende magneter, "siger Dr. Michael Mauel fra Columbia University." GAs succes med at bygge, test, og levering af højfelt superledende magneter til fusionsenergi er et højteknologisk gennembrud for USA og giver tillid til at realisere fusionskraft i fremtiden. "

"USA er et vigtigt medlem af ITER -projektet, som de indledte for årtier siden, "Bigot forklarer, "General Atomics, med sin ekspertise i verdensklasse inden for både kompleks fremstilling og præcis styring af magnetfelter, er et godt eksempel på den bemærkelsesværdige ekspertise, som amerikanske forskere og ingeniører har bragt til bordet. "

ITER vil være den første fusionsenhed til at producere nettoenergi på tværs af plasmaet, hvilket betyder, at fusionsreaktionen vil generere mere termisk energi end den energi, der kræves for at opvarme plasmaet. ITER vil også være den første fusionsenhed, der vedligeholder fusion i lange perioder. ITER vil generere 500 megawatt termisk fusionskraft, mere end tredive gange den nuværende rekord opnået på JET tokamak i U.K.

ITER vil have mange muligheder, der går langt ud over nuværende tokamaks. Selvom ITER ikke vil producere elektricitet, det vil være en kritisk testbed for de integrerede teknologier, materialer, og fysikordninger, der er nødvendige for kommerciel produktion af fusionsbaseret elektricitet. Erfaringerne fra ITER vil blive brugt til at designe den første generation af kommercielle fusionskraftværker.

"ITER spiller en central rolle i amerikanske brændende plasmaforskningsaktiviteter og er det næste kritiske trin i udviklingen af ​​fusionsenergi, "Dr. Mauel siger.

Den centrale solenoid i kontekst

Magnet Technologies Center at General Atomics blev udviklet specielt til fremstilling af Central Solenoid - den største og mest kraftfulde pulserende superledende elektromagnet, der nogensinde er konstrueret - i partnerskab med US ITER.

Oprettelse af magnetfelterne i en tokamak kræver tre forskellige grupper af magneter. Eksterne spoler omkring ringen af ​​tokamak producerer det toroidale magnetfelt, begrænser plasmaet inde i fartøjet. De poloidale spoler, et stablet sæt ringe, der kredser om tokamak parallelt med dens omkreds, kontrollere plasmaets position og form.

I midten af ​​tokamak, den centrale solenoid bruger en energipuls til at generere en kraftig toroidal strøm i plasmaet, der strømmer rundt om torus. Bevægelsen af ​​ioner med denne strøm skaber igen et andet poloidalt magnetfelt, der forbedrer indeslutningen af ​​plasmaet, samt at generere varme til fusion. Med 15 millioner ampere, ITERs plasmastrøm vil være langt mere kraftfuld end noget muligt i nuværende tokamaks.

Superledermaterialet, der blev brugt i ITER's magneter, blev produceret på ni fabrikker i seks lande. De 43 kilometer niobium-tin-superleder til Central Solenoid blev fremstillet i Japan.

Sammen, ITER's magneter skaber et usynligt bur til plasmaet, der præcist passer til tokamaks metalvægge.

Gør den centrale magnet

Fremstillingen af ​​det første modul begyndte i 2015. Det gik forud for næsten fire års samarbejde med eksperter fra US ITER om at designe processen og værktøjer til fremstilling af modulerne.

Hver 4,25 meter (14 fod) -diameter, 110 ton (250, 000 pund) modul kræver mere end to års præcisionsfremstilling fra mere end 5 kilometer stålkappet niobium-tin superledende kabel. Kablet er præcist viklet ind i fladt, lagdelte "pandekager", der forsigtigt skal splejses sammen.

For at skabe det superledende materiale inde i modulviklingen, modulet skal omhyggeligt varmebehandles i en stor ovn, som fungerer på samme måde som en konvektionsovn, der findes i mange køkkener. Fordelen ved varmluftsovnen er evnen til at forkorte den samlede proces og samtidig opretholde ensartet "tilberedning" af modulet. Inde i ovnen, modulet bruger cirka ti og en halv dag ved 570 ° C (1, 060 ° F) og yderligere fire dage ved 650 ° C (1200 ° F). Hele processen tager cirka fem uger.

Efter varmebehandling, kablet er isoleret for at sikre, at der ikke opstår elektriske shorts mellem vendinger og lag. Under svingisolering, modulet skal fjedres uden at overbelaste lederen, som nu er belastningsfølsom på grund af varmebehandling.

For at udføre indpakningen, modulets vendinger strækkes som en slank, giver tapehovederne mulighed for at vikle glasfiber/Kapton -isoleringen rundt om lederen. Når de enkelte sving er pakket ind, de eksterne moduloverflader er derefter pakket med jordisolering. Jordisoleringen består af 25 lag glasfiber- og Kaptonplader. Jordisoleringen skal også passe tæt til komplekse spolefunktioner, såsom heliumindløbene.

Efter isolering, modulet er lukket i en form, og 3, 800 liter (1, 000 gallon) epoxyharpiks injiceres under vakuum, at mætte isoleringsmaterialerne og forhindre bobler eller hulrum. Når den er hærdet ved 650 ° C (260 ° F), epoxyen smelter hele modulet til en enkelt strukturel enhed.

Det færdige modul udsættes for en række krævende tests, placere den under de ekstreme forhold, den vil opleve under ITER -drift, herunder næsten fuldstændig vakuum og kryogene temperaturer, der kræves for, at magneten kan blive superledende (4,5 Kelvin, hvilket svarer til omkring -450 ° F eller -270 ° C).

Erfaringer fra det første Central Solenoid -modul er blevet anvendt til fremstilling af de efterfølgende seks spoler.

"For os, der har dedikeret vores karriere til fusionsforskning, dette er utvivlsomt et spændende øjeblik, "sagde Dr. Tony Taylor, GA's vicepræsident for magnetisk fusionsenergi. "Når modulet forlader sin rejse til Frankrig, vi vil alle kunne være stolte over et meget vigtigt bidrag på vejen til fusionsenergi. "

Forsendelse til Frankrig

ITER konstruktion involverer mere end 1 million komponenter, fremstillet rundt om i verden. Mange af disse komponenter er meget store, og Central Solenoid -modulerne er blandt de tungeste. Forsendelsesprocessen for de massive magneter kræver specialiserede tunge transportkøretøjer. Hele processen til sikker læsning og sikring af modulet på lastbilen, herunder forberedelser til løft, vil tage cirka en uge.

Efter indlæsning, modulet vil blive sendt til Houston, Texas, hvor det vil blive placeret på et skib til transport til ITER -stedet. Det første modul går til søs i slutningen af ​​juli og ankommer til Frankrig i slutningen af ​​august. Landtransport til ITER -stedet finder sted i begyndelsen af ​​september.

"Fusion har potentiale til at levere sikker, miljøvenlig energi som en realistisk erstatning for fossile brændstoffer i løbet af dette århundrede, "Bigot siger." Med en næsten ubegrænset global forsyning af brændstof, den har også potentiale - i tillæg til vedvarende energikilder - til at omdanne energiforsyningens geopolitik. Jeg kan ikke forestille mig en bedre illustration af den transformerende handling end ITER -projektet, hvor vores amerikanske partnere arbejder i tæt samarbejde med bidragydere fra Kina, Europa, Indien, Japan, Sydkorea, og Rusland, som et enkelt team dedikeret til at nå det fælles mål om en lys energifremtid. "