Tests viser højtemperatur superledende magneter er klar til fusion

En nøgleinnovation:Ingen isolering

En af de dramatiske nyskabelser, som havde mange andre i feltet skeptiske over for sine chancer for succes, var elimineringen af ​​isolering omkring de tynde, flade bånd af superledende tape, der dannede magneten. Som stort set alle elektriske ledninger er konventionelle superledende magneter fuldt beskyttet af isolerende materiale for at forhindre kortslutning mellem ledningerne. Men i den nye magnet blev båndet efterladt helt blottet; ingeniørerne stolede på REBCO's meget større ledningsevne for at holde strømmen gennem materialet.

"Da vi startede dette projekt, i lad os sige 2018, var teknologien til at bruge højtemperatursuperledere til at bygge storskala højfeltsmagneter i sin vorden," siger Zach Hartwig, Robert N. Noyce karriereudviklingsprofessor i instituttet. for nuklear videnskab og teknik. Hartwig har en co-udnævnelse i PSFC og er leder af dens ingeniørgruppe, som ledede magnetudviklingsprojektet.

"State of the art var små benchtop-eksperimenter, ikke rigtig repræsentative for, hvad der skal til for at bygge en ting i fuld størrelse. Vores magnetudviklingsprojekt startede i benchtop-skala og endte i fuld skala på kort tid," tilføjer han , og bemærkede, at holdet byggede en magnet på 20.000 pund, der producerede et stabilt, jævnt magnetfelt på lidt over 20 tesla - langt ud over et sådant felt, der nogensinde er produceret i stor skala.

"Standardmåden at bygge disse magneter på er, at du vil vinde lederen, og du har isolering mellem viklingerne, og du har brug for isolering for at håndtere de høje spændinger, der genereres under unormale begivenheder, såsom en nedlukning." At eliminere lagene af isolering, siger han, "har fordelen ved at være et lavspændingssystem. Det forenkler fabrikationsprocesserne og tidsplanen i høj grad." Det giver også mere plads til andre elementer, såsom mere køling eller mere struktur for styrke.

Magnetsamlingen er en lidt mindre skala version af dem, der vil danne det donut-formede kammer i SPARC-fusionsenheden, der nu bygges af CFS i Devens, Massachusetts. Den består af 16 plader, kaldet pandekager, som hver bærer en spiralvikling af det superledende bånd på den ene side og kølekanaler til heliumgas på den anden.

Men designet uden isolering blev betragtet som risikabelt, og der kørte meget på testprogrammet. "Dette var den første magnet i tilstrækkelig målestok, der virkelig undersøgte, hvad der er involveret i at designe og bygge og teste en magnet med denne såkaldte no-isolation no-twist-teknologi," siger Hartwig. "Det var meget en overraskelse for samfundet, da vi annoncerede, at det var en spole uden isolering."

Skub til grænsen … og videre

Den indledende test, beskrevet i tidligere artikler, viste, at design- og fremstillingsprocessen ikke kun fungerede, men var meget stabil - noget som nogle forskere havde tvivlet på. De næste to testkørsler, også udført i slutningen af ​​2021, pressede derefter enheden til det yderste ved bevidst at skabe ustabile forhold, herunder en fuldstændig afbrydelse af indgående strøm, der kan føre til en katastrofal overophedning. Kendt som quenching anses dette for at være et worst-case-scenarie for driften af ​​sådanne magneter med potentiale til at ødelægge udstyret.

En del af missionen med testprogrammet, siger Hartwig, var "at faktisk gå i gang og med vilje slukke en fuldskalamagnet, så vi kan få de kritiske data i den rigtige skala og de rigtige betingelser til at fremme videnskaben, for at validere designkoderne, og så for at skille magneten ad og se, hvad der gik galt, hvorfor gik det galt, og hvordan tager vi den næste iteration for at rette op på det... Det var en meget vellykket test."

Den sidste test, der endte med smeltningen af ​​det ene hjørne af en af ​​de 16 pandekager, gav et væld af ny information, siger Hartwig. For det første havde de brugt flere forskellige beregningsmodeller til at designe og forudsige ydeevnen af ​​forskellige aspekter af magnetens ydeevne, og for det meste stemte modellerne overens i deres overordnede forudsigelser og var velvaliderede af rækken af ​​test og målinger i den virkelige verden. Men ved at forudsige effekten af ​​quenchen divergerede modelforudsigelserne, så det var nødvendigt at få de eksperimentelle data til at evaluere modellernes validitet.

"De modeller med højeste kvalitet, som vi havde forudsagt næsten nøjagtigt, hvordan magneten ville varme op, i hvilken grad den ville varme op, når den begyndte at slukke, og hvor ville den resulterende skade på magneten være," siger han. Som beskrevet detaljeret i en af ​​de nye rapporter, "Denne test fortalte os faktisk præcis den fysik, der foregik, og den fortalte os, hvilke modeller der var nyttige fremadrettet, og hvilke vi skulle lade stå ved siden af, fordi de ikke er rigtige."

Whyte siger:"Dybest set gjorde vi det værst mulige ved en spole med vilje, efter at vi havde testet alle andre aspekter af spoleydelsen. Og vi fandt ud af, at det meste af spiralen overlevede uden skader," mens et isoleret område pådrog sig nogle smeltning. "Det er ligesom et par procent af volumen af ​​spolen, der blev beskadiget." Og det førte til revisioner i designet, der forventes at forhindre sådanne skader i selve fusionsenhedens magneter, selv under de mest ekstreme forhold.

Hartwig understreger, at en hovedårsag til, at holdet var i stand til at opnå et så radikalt nyt rekordsættende magnetdesign og få det rigtigt den allerførste gang og på en hæsblæsende tidsplan, var takket være det dybe niveau af viden, ekspertise og akkumuleret udstyr. over årtiers drift af Alcator C-Mod tokamak, Francis Bitter Magnet Laboratory og andet arbejde udført på PSFC. "Dette går til hjertet af de institutionelle kapaciteter på et sted som dette," siger han. "Vi havde kapaciteten, infrastrukturen og pladsen og folkene til at gøre disse ting under ét tag."

Samarbejdet med CFS var også nøglen, siger han, hvor MIT og CFS kombinerede de mest kraftfulde aspekter af en akademisk institution og en privat virksomhed for at gøre ting sammen, som ingen af ​​dem kunne have gjort på egen hånd. "For eksempel var et af de store bidrag fra CFS at udnytte kraften i en privat virksomhed til at etablere og opskalere en forsyningskæde på et hidtil uset niveau og tidslinje for det mest kritiske materiale i projektet:300 kilometer (186 miles) høj -temperatursuperleder, som blev anskaffet med streng kvalitetskontrol på under et år og integreret efter tidsplan i magneten."

Integrationen af ​​de to teams, dem fra MIT og dem fra CFS, var også afgørende for succesen, siger han. "Vi tænkte på os selv som ét hold, og det gjorde det muligt at gøre, hvad vi gjorde."

Flere oplysninger: Paper:Specialnummer om SPARC Toroidal Field Model Coil Program

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

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.