Superlederteknologi til mindre, hurtigere fusion

Forskere har længe forsøgt at udnytte fusion som en uudtømmelig og kulstoffri energikilde. Inden for de seneste år, banebrydende højtemperatur superlederteknologi (HTS) udløste en ny vision for at opnå praktisk fusionsenergi. Denne tilgang, kendt som højfeltsvejen til fusion, har til formål at skabe fusion i kompakte enheder på en kortere tidsskala og lavere omkostninger end alternative tilgange.

En vigtig teknisk udfordring for at realisere denne vision, selvom, har fået HTS superledere til at arbejde integreret i udviklingen af ​​nye, højtydende superledende magneter, som vil muliggøre højere magnetfelter end tidligere generationer af magneter, og er centrale for at begrænse og kontrollere plasmareaktioner.

Nu er et team ledet af MIT's Plasma Science and Fusion Center (PSFC) og MIT spinout-virksomheden Commonwealth Fusion Systems (CFS), har udviklet og grundigt testet en HTS-kabelteknologi, der kan skaleres og konstrueres til de højtydende magneter. Holdets forskning blev offentliggjort den 7. oktober i Superleder Videnskab og Teknologi . Forskere omfattede MIT-assistentprofessor og hovedforsker Zachary Hartwig; PSFCs vicechef for ingeniør Rui F. Vieira og andre vigtige tekniske og ingeniørmæssige PSFC-personale; CFS Chief Science Officer Brandon Sorbom Ph.D. '17 og andre CFS-ingeniører; og videnskabsmænd ved CERN i Genève, Schweiz, og ved Robinson Research Institute ved Victoria University of Wellington, New Zealand.

Denne udvikling følger et nyligt løft til high-field pathway, da 47 forskere fra 12 institutioner offentliggjorde syv artikler i Journal of Plasma Physics, viser, at en højfeltsfusionsenhed, kaldet SPARC, bygget med sådanne magneter ville producere nettoenergi - mere energi, end den forbruger - noget, der aldrig tidligere er demonstreret.

"Kabelteknologien til SPARC er en vigtig brik i puslespillet, når vi arbejder på at accelerere tidslinjen for at opnå fusionsenergi, siger Hartwig, assisterende professor i nuklear videnskab og teknik, og leder af forskningsteamet ved PSFC. "Hvis vi har succes med det, vi laver og i andre teknologier, fusionsenergi vil begynde at gøre en forskel i at afbøde klimaændringer – ikke om 100 år, men om 10 år."

Et super kabel

Den innovative teknologi, der er beskrevet i papiret, er et superledende kabel, der leder elektricitet uden modstand eller varmeudvikling, og som ikke nedbrydes under ekstrem mekanisk, elektriske, og termiske forhold. Mærket VIPER (en akronym, der står for Vacuum Pressure Imprægnated, Isoleret, Delvist omsat, Ekstruderet, og rulleformet), det består af kommercielt fremstillede tynde stålbånd belagt med HTS-forbindelse - yttrium-barium-kobber-oxid - der er pakket ind i en samling af kobber- og stålkomponenter for at danne kablet. Kryogen kølevæske, såsom superkritisk helium, kan let flyde gennem kablet for at fjerne varme og holde kablet koldt selv under udfordrende forhold.

"Et af vores fremskridt var at finde ud af en måde at lodde HTS-tapen inde i kablet, gør det effektivt til en monolitisk struktur, hvor alt er termisk forbundet, " siger Sorbom. Alligevel kan VIPER også forvandles til drejninger, bruge samlinger til at skabe "næsten enhver form for geometri, " tilføjer han. Dette gør kablet til et ideelt byggemateriale til vikling til spoler, der er i stand til at generere og indeholde magnetiske felter med enorm styrke, såsom dem, der kræves for at gøre fusionsanordninger væsentligt mindre end de nuværende forudsete netenergi-fusionsanordninger.

Slidstærk og robust

"Det vigtigste, vi kan gøre med VIPER-kabel, er at gøre et magnetfelt to til tre gange stærkere i den størrelse, der kræves end den nuværende generation af superledende magnetteknologi, " siger Hartwig. Størrelsen af ​​det magnetiske felt i tokamaks spiller en stærk ikke-lineær rolle i bestemmelsen af ​​plasmaydelse. F.eks. fusionskrafttæthed skaleres som magnetfelt til fjerde potens:Fordobling af feltet øger fusionskraften med 16 gange eller, omvendt, den samme fusionsudgangseffekt kan opnås i en enhed, der er 16 gange mindre efter volumen.

"I udviklingen af ​​højfeltsmagneter til fusion, HTS-kabler er en væsentlig ingrediens, og de har været forsvundet, " siger Søren Prestemon, direktør for U.S. Magnet Development Program ved Lawrence Berkeley National Laboratory, som ikke var involveret i denne undersøgelse. "VIPER er et gennembrud inden for kabelarkitektur - formentlig den første kandidat, der er bevist levedygtig for fusion - og vil muliggøre det kritiske skridt fremad til demonstration i en fusionsreaktor."

VIPER-teknologien præsenterer også en kraftfuld tilgang til et bestemt problem i det superledende magnetfelt, kaldet en quench, "det har skræmt ingeniører, siden de begyndte at bygge superledende magneter, " siger Hartwig. En quench er en drastisk temperaturstigning, der opstår, når de kolde kabler ikke længere kan lede elektrisk strøm uden nogen modstand. Når quench opstår, i stedet for at generere næsten nul varme i den superledende tilstand, den elektriske strøm genererer væsentlig modstandsopvarmning i kablet.

"Den hurtige temperaturstigning kan få magneten til potentielt at beskadige eller ødelægge sig selv, hvis den elektriske strøm ikke afbrydes, " siger Hartwig. "Vi ønsker at undgå denne situation eller, hvis ikke, i det mindste vide om det så hurtigt og sikkert som muligt."

Holdet inkorporerede to typer temperaturfølende fiberoptisk teknologi udviklet af samarbejdspartnere ved CERN og Robinson Research Institute. Fibrene udviste - for første gang på fuldskala HTS-kabler og under repræsentative forhold for højmagnetiske feltfusionsmagneter - følsom og højhastighedsdetektering af temperaturændringer langs kablet for at overvåge begyndelsen af ​​slukningen.

Et andet nøgleresultat var den vellykkede inkorporering af let fremstillede, lav elektrisk modstand, og mekanisk robuste samlinger mellem VIPER-kabler. Superledende led er ofte komplekse, udfordrende at lave, og mere tilbøjelige til at fejle end andre dele af en magnet; VIPER blev designet til at eliminere disse problemer. VIPER-leddene har den yderligere fordel, at de er aftagelige, hvilket betyder, at de kan skilles ad og genbruges uden indflydelse på ydeevnen.

Prestemon bemærker, at kablets innovative arkitektur direkte påvirker virkelige udfordringer i driften af ​​fremtidens fusionsreaktorer. "I et egentligt kommercielt fusionsenergi-producerende anlæg, intens varme og stråling dybt inde i reaktoren vil kræve rutinemæssige udskiftninger af komponenter, " siger han. "At være i stand til at adskille disse samlinger og sætte dem sammen igen er et væsentligt skridt hen imod at gøre fusion til et omkostningseffektivt forslag."

De 12 VIPER-kabler, som Hartwigs team byggede, løber mellem en og 12 meter i længden, blev evalueret med bøjningstest, tusindvis af pludselige "on-off" mekaniske cyklusser, flere kryogene termiske cyklusser, og snesevis af quench-lignende hændelser for at simulere den slags straffende forhold, man støder på i magneterne på en fusionsenhed. Gruppen gennemførte med succes fire flerugers testkampagner på fire måneder på SULTAN-anlægget, et førende center for superledende kabelevaluering drevet af Swiss Plasma Center, tilknyttet Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz.

"Denne hidtil usete hastighed af HTS-kabeltest hos SULTAN viser den hastighed, som teknologien kan avanceres af et fremragende team med tankegangen om at gå hurtigt, viljen til at tage risici, og ressourcerne til at udføre, " siger Hartwig. Det er en følelse, der fungerer som grundlaget for SPARC-projektet.

SPARC-teamet fortsætter med at forbedre VIPER-kablet og går videre til den næste projektmilepæl i midten af ​​2021:"Vi bygger en multi-ton modelspole, der svarer til størrelsen af ​​en fuldskalamagnet til SPARC, " siger Sorbom. Disse forskningsaktiviteter vil fortsætte med at fremme de grundlæggende magnetteknologier for SPARC og muliggøre demonstration af nettoenergi fra fusion, en vigtig præstation, der signalerer, at fusion er en levedygtig energiteknologi. "Det vil være et skelsættende øjeblik for fusionsenergi, siger Hartwig.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.