Ny superledende magnet slår rekorder for magnetisk feltstyrke, baner vejen for fusionsenergi

Det var et øjeblik tre år undervejs, baseret på intensivt forsknings- og designarbejde:Den 5. september, for første gang, en stor høj temperatur superledende elektromagnet blev rampet op til en feltstyrke på 20 tesla, det mest kraftfulde magnetfelt af sin art, der nogensinde er skabt på Jorden. Den vellykkede demonstration hjælper med at løse den største usikkerhed i søgen efter at bygge verdens første fusionskraftværk, der kan producere mere strøm, end det forbruger, ifølge projektets ledere hos MIT og startup-virksomheden Commonwealth Fusion Systems (CFS).

Det fremrykning baner vejen, de siger, for den længe søgte skabelse af praktiske, billig, kulstoffrie kraftværker, der kan yde et stort bidrag til at begrænse virkningerne af globale klimaændringer.

"Fusion er på mange måder den ultimative rene energikilde, " siger Maria Zuber, MIT's vicepræsident for forskning og E. A. Griswold professor i geofysik. "Mængden af ​​strøm, der er tilgængelig, ændrer virkelig spillet." Brændstoffet, der bruges til at skabe fusionsenergi, kommer fra vand, og "Jorden er fuld af vand - det er en næsten ubegrænset ressource. Vi skal bare finde ud af, hvordan vi kan udnytte den."

Udvikling af den nye magnet ses som den største teknologiske hindring for at få det til at ske; dens vellykkede drift åbner nu døren for at demonstrere fusion i et laboratorium på jorden, som har været forfulgt i årtier med begrænsede fremskridt. Med magnetteknologien nu med succes demonstreret, MIT-CFS-samarbejdet er på vej til at bygge verdens første fusionsenhed, der kan skabe og begrænse et plasma, der producerer mere energi, end det forbruger. Den demonstrationsenhed, kaldet SPARC, er målrettet færdig i 2025.

"Udfordringerne ved at få fusion til at ske er både tekniske og videnskabelige, " siger Dennis Whyte, direktør for MIT's Plasma Science and Fusion Center, som arbejder med CFS for at udvikle SPARC. Men når først teknologien er bevist, han siger, "det er en uudtømmelig, kulstoffri energikilde, som du kan anvende hvor som helst og når som helst. Det er virkelig en fundamentalt ny energikilde."

hvorfor, hvem er Hitachi America Professor of Engineering, siger, at denne uges demonstration repræsenterer en stor milepæl, adressering af de største spørgsmål, der er tilbage om gennemførligheden af ​​SPARC -designet. "Det er virkelig et vandskeløjeblik, Jeg tror, inden for fusionsvidenskab og teknologi, " han siger.

Solen i en flaske

Fusion er den proces, der driver solen:sammensmeltningen af ​​to små atomer til et større, frigiver enorme mængder energi. Men processen kræver temperaturer langt ud over, hvad ethvert fast materiale kunne modstå. For at fange solens strømkilde her på jorden, hvad der er nødvendigt er en måde at fange og indeholde noget, der er varmt - 100, 000, 000 grader eller mere - ved at suspendere det på en måde, der forhindrer det i at komme i kontakt med noget fast.

Det sker gennem intense magnetiske felter, som danner en slags usynlig flaske til at indeholde den varme hvirvlende suppe af protoner og elektroner, kaldes et plasma. Fordi partiklerne har en elektrisk ladning, de er stærkt styret af magnetfelterne, og den mest udbredte konfiguration til at indeholde dem er en donut-formet enhed kaldet en tokamak. De fleste af disse enheder har produceret deres magnetiske felter ved hjælp af konventionelle elektromagneter lavet af kobber, men den nyeste og største version under opførelse i Frankrig, kaldet ITER, bruger såkaldte lavtemperatur-superledere.

Den største innovation i MIT-CFS fusionsdesignet er brugen af ​​højtemperatur superledere, som muliggør et meget stærkere magnetfelt i et mindre rum. Dette design blev muliggjort af en ny form for superledende materiale, der blev kommercielt tilgængeligt for et par år siden. Ideen opstod oprindeligt som et klasseprojekt i en atomteknisk klasse undervist af Whyte. Ideen virkede så lovende, at den fortsatte med at blive udviklet i løbet af de næste par iterationer af denne klasse, førende til ARC-kraftværkets designkoncept i begyndelsen af ​​2015. SPARC, designet til at være omkring halvdelen af ​​størrelsen af ​​ARC, er en testbed for at bevise konceptet før konstruktion af fuld størrelse, kraftproducerende anlæg.

Indtil nu, den eneste måde at opnå de kolossalt kraftige magnetiske felter, der er nødvendige for at skabe en magnetisk "flaske", der er i stand til at indeholde plasma opvarmet til hundredvis af millioner af grader, var at gøre dem større og større. Men det nye højtemperatur-superledermateriale, lavet i form af en lejlighed, båndlignende tape, gør det muligt at opnå et højere magnetfelt i en mindre enhed, svarende til den ydeevne, der ville blive opnået i et apparat, der er 40 gange større i volumen, ved brug af konventionelle lavtemperatur superledende magneter. Det spring i kraft i forhold til størrelse er nøgleelementet i ARCs revolutionerende design.

Brugen af ​​de nye højtemperatur superledende magneter gør det muligt at anvende årtiers eksperimentel viden opnået fra driften af ​​tokamak eksperimenter, herunder MIT's egen Alcator -serie. Den nye tilgang bruger et velkendt design, men skalerer alt ned til omkring halvdelen af ​​den lineære størrelse og opnår stadig de samme driftsbetingelser på grund af det højere magnetfelt.

En række videnskabelige artikler, der blev offentliggjort sidste år, skitserede det fysiske grundlag og, ved simulering, bekræftede levedygtigheden af ​​den nye fusionsenhed. Papirerne viste, at hvis magneterne virkede som forventet, hele fusionssystemet burde faktisk producere nettoeffekt, for første gang i årtiers fusionsforskning.

Martin Greenwald, vicedirektør og seniorforsker ved PSFC, siger i modsætning til nogle andre designs til fusionseksperimenter, "den niche, vi udfyldte, var at bruge konventionel plasmafysik, og konventionelt tokamak design og ingeniørarbejde, men kom med denne nye magnetteknologi. Så, vi krævede ikke innovation på en halv snes forskellige områder. Vi ville bare innovere på magneten, og derefter anvende vidensgrundlaget for det, der er lært i løbet af de sidste årtier. "

Denne kombination af videnskabeligt etablerede designprincipper og spilskiftende magnetfeltstyrke er det, der gør det muligt at opnå et anlæg, der kunne være økonomisk rentabelt og udviklet på et hurtigt spor. "Det er et stort øjeblik, "siger Bob Mumgaard, CEO for CFS. "Vi har nu en platform, der både er videnskabeligt meget velavanceret, på grund af årtiers forskning på disse maskiner, og også kommercielt meget interessant. Det gør det muligt for os at bygge enheder hurtigere, mindre, og til mindre omkostninger, " siger han om den vellykkede magnetdemonstration.

Bevis for konceptet

At bringe det nye magnetkoncept til virkelighed krævede tre års intensivt arbejde med design, etablering af forsyningskæder, og udarbejde fremstillingsmetoder til magneter, der muligvis i sidste ende skal produceres af tusinder.

"Vi byggede en første af en slags, superledende magnet. Det krævede meget arbejde at skabe unikke fremstillingsprocesser og udstyr. Som resultat, vi er nu velforberedte til at øge SPARC-produktionen, " siger Joy Dunn, driftsleder hos CFS. "Vi startede med en fysikmodel og et CAD-design, og arbejdede igennem masser af udvikling og prototyper for at forvandle et design på papir til denne faktiske fysiske magnet. "Det indebar opbygning af produktionskapacitet og testfaciliteter, herunder en iterativ proces med flere leverandører af det superledende bånd, for at hjælpe dem med at nå evnen til at producere materiale, der opfyldte de nødvendige specifikationer – og som CFS nu overvældende er verdens største bruger til.

De arbejdede med to mulige magnetdesigns parallelt, som begge endte med at opfylde designkravene, hun siger. "Det kom virkelig ned på, hvilken man ville revolutionere den måde, vi laver superledende magneter på, og hvilken var lettere at bygge. "Det design, de vedtog, stod tydeligt i den forbindelse, hun siger.

I denne test, den nye magnet blev gradvist tændt i en række trin, indtil målet om et magnetfelt på 20 tesla nåedes - den højeste feltstyrke nogensinde for en superledende fusionsmagnet med høj temperatur. Magneten er sammensat af 16 plader stablet sammen, hver af dem ville i sig selv være den mest kraftfulde superledende magnet ved høj temperatur i verden.

"For tre år siden annoncerede vi en plan, siger Mumgaard, "at bygge en 20-tesla magnet, hvilket er, hvad vi skal bruge til fremtidige fusionsmaskiner." Det mål er nu nået, lige efter planen, selv med pandemien, han siger.

Med henvisning til rækken af ​​fysikartikler offentliggjort sidste år, Brandon Sorbom, Chief science officer ved CFS, siger "dybest set konkluderer papirerne, at hvis vi bygger magneten, al fysik fungerer i SPARC. Så, denne demonstration besvarer spørgsmålet:Kan de bygge magneten? Det er en meget spændende tid! Det er en kæmpe milepæl."

Det næste trin vil være at bygge SPARC, en mindre udgave af det planlagte ARC-kraftværk. Den vellykkede drift af SPARC vil vise, at et fuldskala kommercielt fusionskraftværk er praktisk, bane vejen for hurtig design og konstruktion af den banebrydende enhed kan derefter fortsætte fuld fart.

Zuber siger, at "Jeg er nu oprigtigt optimistisk over, at SPARC kan opnå positiv nettoenergi, baseret på magneternes demonstrerede ydeevne. Næste skridt er at opskalere, at bygge et egentligt kraftværk. Der er stadig mange udfordringer forude, ikke mindst at udvikle et design, der giver mulighed for pålidelige, vedvarende drift. Og indse, at målet her er kommercialisering, en anden stor udfordring vil være økonomisk. Hvordan designer du disse kraftværker, så det vil være omkostningseffektivt at bygge og installere dem?"

En dag i en håbet fremtid, når der kan være tusinder af fusionsanlæg, der driver rene elektriske net rundt om i verden, Zuber siger, "Jeg tror, ​​vi kommer til at se tilbage og tænke på, hvordan vi kom dertil, og jeg tror, ​​demonstrationen af ​​magnetteknologien, for mig, er det tidspunkt, hvor jeg troede på, at wow, vi kan virkelig dette. "

Den vellykkede skabelse af en kraftproducerende fusionsenhed ville være en enorm videnskabelig præstation, Zuber noter. Men det er ikke hovedpointen. "Ingen af ​​os forsøger at vinde trofæer på dette tidspunkt. Vi forsøger at holde planeten beboelig."

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.