MIT-ի և Commonwealth Fusion Systems-ի կողմից կառուցված մագնիսների մանրամասն ուսումնասիրությունը հաստատում է, որ դրանք համապատասխանում են տնտեսական, կոմպակտ միաձուլման էլեկտրակայանի պահանջներին:
2021 թվականի սեպտեմբերի 5-ի լուսաբացին, ինժեներները MIT-ի պլազմայի գիտության և միաձուլման կենտրոնի (PSFC) լաբորատորիաներում հասել են մեծ նվաճման, երբ բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչ նյութից պատրաստված մագնիսի նոր տեսակը համաշխարհային ռեկորդ է գրանցել․ մագնիսական դաշտի 20 թեսլա ուժգնության՝ լայնածավալ մագնիսի համար: Դա այն ինտենսիվությունն է, որն անհրաժեշտ է ջերմամիջուկային սինթեզի էլեկտրակայան կառուցելու համար, որն ակնկալվում է, որ կարտադրի մաքուր էլեկտրաէներգիա և պոտենցիալ սկիզբ կդնի գրեթե անսահմանափակ էներգիայի արտադրության դարաշրջանին:
Փորձարկումն անմիջապես հաջողված հայտարարվեց՝ բավարարելով SPARC կոչվող ջերմամիջուկային սինթեզի նոր սարքի նախագծման համար սահմանված բոլոր չափանիշները, որի համար մագնիսները հիմնական հնարավորություն ստեղծող տեխնոլոգիան են:
Այս ամբողջ աշխատանքը այժմ ավարտվել է PSFC-ի և MIT spinout ընկերության Commonwealth Fusion Systems (CFS) հետազոտողների մանրամասն զեկույցով, որը հրապարակվել է վեց գրախոսվող հոդվածներից բաղկացած հավաքածուում IEEE Transactions on Applied Superconductivity-ի մարտի համարի հատուկ հրատարակության մեջ: Փաստաթղթերը նկարագրում են մագնիսի և ախտորոշիչ սարքավորումների նախագծումն ու արտադրությունը, որոնք անհրաժեշտ են դրա արդյունավետությունը գնահատելու համար, ինչպես նաև գործընթացից քաղված դասերը: Ընդհանուր առմամբ, թիմը պարզել է, որ կանխատեսումները և համակարգչային մոդելավորումը եղել են տեղին՝ հաստատելով, որ մագնիսի եզակի դիզայնի տարրերը կարող են հիմք ծառայել ջերմամիջուկային էլեկտրակայանի համար:
Գործնական միաձուլման հզորության ապահովում
Մագնիսի հաջող փորձարկումը, ասում է Hitachi America-ի ճարտարագիտության պրոֆեսոր Դենիս Ուայթը, ով վերջերս լքել է PSFC-ի տնօրենի պաշտոնը, «իմ կարծիքով ամենակարևորն էր վերջին 30 տարվա ջերմամիջուկային սինթեզի հետազոտությունների ընթացքում»:
Մինչև սեպտեմբերի 5-ի ցուցադրությունը, լավագույն հասանելի գերհաղորդիչ մագնիսները թեև բավականաչափ հզոր էին միաձուլման էներգիա ստանալու համար (պլազման պահել մինչև 100 միլիոն °C տաքացված՝ աշխատանքային խցիկի պատերից անջատված), բայց միայն այն չափերով և ծախսերով, որոնք երբեք չէին կարող լինել գործնական կամ տնտեսապես կենսունակ: Այնուհետև, երբ փորձարկումները ցույց տվեցին նման ուժեղ մագնիսի գործնականությունը խիստ փոքրացված չափերով, «մեկ գիշերվա ընթացքում այն հիմնականում փոխեց ջերմամիջուկային ռեակտորի մեկ վտ արժեքը մեկ օրվա ընթացքում գրեթե 40 անգամ», - ասում է Ուայթը:
«Այժմ ջերմամիջուկային սինթեզը գործնականում հնարավոր է», - ավելացնում է Ուայթը: Tokamaks-ը՝ փորձարարական միաձուլման սարքերի համար ամենալայն կիրառվող դիզայնը, «կարծում եմ, հնարավորություն ունեն տնտեսապես շահավետ լինելու, քանի որ դուք քվանտային փոփոխություն եք ստացել ձեր կարողության մեջ՝ սահմանափակման ֆիզիկայի հայտնի կանոններով, որպեսզի կարողանաք զգալիորեն նվազեցնել առարկաների չափերը և արժեքը, որոնք հնարավոր կդարձնեն ջերմամիջուկային սինթեզը»:
Գերհաղորդիչ բեկում
Ջերմամիջուկային սինթեզը, թեթև ատոմների միացման գործընթացը՝ ավելի ծանր ատոմներ ստեղծելու համար, ուժ է տալիս արևին և աստղերին, բայց այդ գործընթացի կիրառումը Երկրի վրա սարսափելի մարտահրավեր էր դարձել՝ տասնամյակների քրտնաջան աշխատանքով և բազմամիլիարդավոր դոլարներով փորձարարական սարքերի վրա ծախսով: Երկար ձգտված, բայց դեռևս չհասած նպատակը ջերմամիջուկային էլեկտրակայան կառուցելն է, որն ավելի շատ էներգիա կարտադրի, քան սպառում է: Նման էլեկտրակայանը կարող է էլեկտրաէներգիա արտադրել՝ առանց շահագործման ընթացքում ջերմոցային գազեր արտանետելու և շատ քիչ ռադիոակտիվ թափոններ է առաջացնելու։ Fusion-ի վառելիքը՝ ջրածնի մի տեսակ, որը կարող է ստացվել ծովի ջրից, գործնականում անսահման է:
Սակայն այն գործելու համար պահանջվում է վառելիքը սեղմել անսովոր բարձր ջերմաստիճանների՝ հսկայական ճնշման պայմաններում, և քանի որ ոչ մի հայտնի նյութ չի կարող դիմակայել նման ջերմաստիճաններին, վառելիքը պետք է պահվի չափազանց հզոր մագնիսական դաշտերի միջոցով: Նման ուժեղ դաշտեր արտադրելու համար անհրաժեշտ են գերհաղորդիչ մագնիսներ, սակայն բոլոր նախկին ջերմամիջուկային մագնիսները պատրաստված էին գերհաղորդիչ նյութից, որը պահանջում էր բացարձակ զրոյից մինչեւ մոտ 4 աստիճան (4 կելվին կամ -270 աստիճան Ցելսիուս) սառը ջերմաստիճան: Վերջին մի քանի տարիների ընթացքում REBCO մականունով ավելի նոր նյութը, որը հազվագյուտ հողերի՝ բարիումի և պղնձի օքսիդ է, ավելացվում է միաձուլվող մագնիսներին և թույլ է տալիս նրանց աշխատել 20 կելվինի վրա, ջերմաստիճան, որը, չնայած ընդամենը 16 կելվինով ավելի տաք լինելուն, նյութական հատկությունների և գործնական ճարտարագիտության զգալի առավելություններ է տալիս:
REBCO-ի նոր նյութը «արտասովոր տարբերվում է նախորդ սերնդի գերհաղորդիչների համեմատ: Դուք ոչ միայն հարմարվելու և փոխարինվելու եք, այլ իրականում նորամուծություններ կանեք զրոյից» - ասում է Ուայթը: «Կիրառական գերհաղորդականության վերաբերյալ» ամսագրում հրապարակված նոր հոդվածները նկարագրում են այդ վերանախագծման գործընթացի մանրամասները, այժմ, երբ արտոնագրային պաշտպանությունը գործում է:
Հիմնական նորամուծություն. մեկուսացում չկա
Դրամատիկ նորամուծություններից մեկը, որի հաջողության շանսերին այս ոլորտում շատերը թերահավատորեն էին վերաբերում, մագնիս ձևավորող գերհաղորդիչ բարակ, հարթ ժապավենների մեկուսացման վերացումն էր: Ինչպես գրեթե բոլոր էլեկտրական լարերը, այնպես էլ սովորական գերհաղորդիչ մագնիսները լիովին պաշտպանված են մեկուսիչ նյութով՝ լարերի միջև կարճ միացումները կանխելու համար: Բայց նոր մագնիսի մեջ ժապավենը ամբողջովին բաց է մնացել. ինժեներները հենվել են REBCO-ի շատ ավելի մեծ հաղորդունակության վրա՝ նյութի միջով հոսանքը պահպանելու համար:
«Երբ մենք սկսեցինք այս նախագիծը 2018 թվականին, բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչների օգտագործման տեխնոլոգիան լայնածավալ բարձր դաշտային մագնիսներ կառուցելու համար դեռ կիրառելի չէր», - ասում է Ռոբերտ Ն. Նոյսի անվան Միջուկային գիտության և ճարտարագիտության ամբիոնի կարիերայի զարգացման պրոֆեսոր Զաք Հարթվիգը: Հարթվիգը համանշանակվել է PSFC-ում և հանդիսանում է նրա ինժեներական խմբի ղեկավարը, որը առաջնորդում էր մագնիսի զարգացման նախագիծը: «Նորագույն փոքրածավալ նստարանային փորձարկումները իրականում չէին ներկայացնում այն, ինչ անհրաժեշտ է լիարժեք չափսի իրեր ստանալու համար: Մագնիսների մշակման մեր նախագիծը սկսվեց նստարանային մասշտաբով և կարճ ժամանակում ավարտվեց լիարժեք մասշտաբով», - ավելացնում է նա՝ նշելով, որ թիմը պատրաստել է 20,000 ֆունտ կշռող մագնիս, որն արտադրել է կայուն, նույնիսկ մագնիսական դաշտ՝ 20 թեսլայից մի փոքր ավելի շատ՝ առավել քան երբևէ մեծ մասշտաբով արտադրված ցանկացած նման դաշտ:
Հասցնելով սահմանաչափին… և ավելին
Նախնական թեստը, որը նկարագրված էր նախորդ հոդվածներում, ապացուցեց, որ նախագծման և արտադրության գործընթացը ոչ միայն աշխատող էր, այլև շատ կայուն, ինչի վրա որոշ հետազոտողներ կասկածում էին: Հաջորդ երկու փորձարկումները, որոնք նույնպես կատարվել են 2021 թվականի վերջին, հասցրեցին սարքը սահմանագծին՝ միտումնավոր ստեղծելով անկայուն պայմաններ, ներառյալ մուտքային հոսանքի ամբողջական անջատում, որը կարող էր հանգեցնել աղետալի գերտաքացման: Հայտնի է որպես «մարող», սա համարվում է ամենավատ սցենարը նման մագնիսների շահագործման համար՝ սարքավորումները ոչնչացնելու հնարավորությամբ:
Հետագայում, կրիտիկական պայմաններում մագնիսի փորձարկումների ժամանակ, ստուգվեցին նրա վարքագծի տեսական մոդելները մինչև մասնակի ոչնչացում (ոլորուն հալեցում): Սա կարևոր էր էլեկտրամագնիսների նախագծումը բարելավելու և կատարողական բնութագրերի փորձարկման համար՝ ապագա ջերմամիջուկային ռեակտորներում օգտագործելու համար: Մշակման հոդվածների հրապարակումն այսօր հնարավոր դարձավ էլեկտրամագնիսների նախագծման և դրանց շահագործման սկզբունքների վերաբերյալ արտոնագրեր ստանալուց հետո։ Հետազոտությունը մեզ մոտեցնում է այն պահին, երբ մարդու կողմից ստեղծված Արեգակը կարող է լուսավորվել Երկիրը, և էլեկտրական ցանցերի էներգիան կդառնա անվերջ և գործնականում մաքուր:
Աղբյուրը՝ https://news.mit.edu/2024/tests-show-high-temperature-superconducting-magnets-fusion-ready-0304
Փորձարկումն անմիջապես հաջողված հայտարարվեց՝ բավարարելով SPARC կոչվող ջերմամիջուկային սինթեզի նոր սարքի նախագծման համար սահմանված բոլոր չափանիշները, որի համար մագնիսները հիմնական հնարավորություն ստեղծող տեխնոլոգիան են:
Այս ամբողջ աշխատանքը այժմ ավարտվել է PSFC-ի և MIT spinout ընկերության Commonwealth Fusion Systems (CFS) հետազոտողների մանրամասն զեկույցով, որը հրապարակվել է վեց գրախոսվող հոդվածներից բաղկացած հավաքածուում IEEE Transactions on Applied Superconductivity-ի մարտի համարի հատուկ հրատարակության մեջ: Փաստաթղթերը նկարագրում են մագնիսի և ախտորոշիչ սարքավորումների նախագծումն ու արտադրությունը, որոնք անհրաժեշտ են դրա արդյունավետությունը գնահատելու համար, ինչպես նաև գործընթացից քաղված դասերը: Ընդհանուր առմամբ, թիմը պարզել է, որ կանխատեսումները և համակարգչային մոդելավորումը եղել են տեղին՝ հաստատելով, որ մագնիսի եզակի դիզայնի տարրերը կարող են հիմք ծառայել ջերմամիջուկային էլեկտրակայանի համար:
Գործնական միաձուլման հզորության ապահովում
Մագնիսի հաջող փորձարկումը, ասում է Hitachi America-ի ճարտարագիտության պրոֆեսոր Դենիս Ուայթը, ով վերջերս լքել է PSFC-ի տնօրենի պաշտոնը, «իմ կարծիքով ամենակարևորն էր վերջին 30 տարվա ջերմամիջուկային սինթեզի հետազոտությունների ընթացքում»:
Մինչև սեպտեմբերի 5-ի ցուցադրությունը, լավագույն հասանելի գերհաղորդիչ մագնիսները թեև բավականաչափ հզոր էին միաձուլման էներգիա ստանալու համար (պլազման պահել մինչև 100 միլիոն °C տաքացված՝ աշխատանքային խցիկի պատերից անջատված), բայց միայն այն չափերով և ծախսերով, որոնք երբեք չէին կարող լինել գործնական կամ տնտեսապես կենսունակ: Այնուհետև, երբ փորձարկումները ցույց տվեցին նման ուժեղ մագնիսի գործնականությունը խիստ փոքրացված չափերով, «մեկ գիշերվա ընթացքում այն հիմնականում փոխեց ջերմամիջուկային ռեակտորի մեկ վտ արժեքը մեկ օրվա ընթացքում գրեթե 40 անգամ», - ասում է Ուայթը:
«Այժմ ջերմամիջուկային սինթեզը գործնականում հնարավոր է», - ավելացնում է Ուայթը: Tokamaks-ը՝ փորձարարական միաձուլման սարքերի համար ամենալայն կիրառվող դիզայնը, «կարծում եմ, հնարավորություն ունեն տնտեսապես շահավետ լինելու, քանի որ դուք քվանտային փոփոխություն եք ստացել ձեր կարողության մեջ՝ սահմանափակման ֆիզիկայի հայտնի կանոններով, որպեսզի կարողանաք զգալիորեն նվազեցնել առարկաների չափերը և արժեքը, որոնք հնարավոր կդարձնեն ջերմամիջուկային սինթեզը»:
Գերհաղորդիչ բեկում
Ջերմամիջուկային սինթեզը, թեթև ատոմների միացման գործընթացը՝ ավելի ծանր ատոմներ ստեղծելու համար, ուժ է տալիս արևին և աստղերին, բայց այդ գործընթացի կիրառումը Երկրի վրա սարսափելի մարտահրավեր էր դարձել՝ տասնամյակների քրտնաջան աշխատանքով և բազմամիլիարդավոր դոլարներով փորձարարական սարքերի վրա ծախսով: Երկար ձգտված, բայց դեռևս չհասած նպատակը ջերմամիջուկային էլեկտրակայան կառուցելն է, որն ավելի շատ էներգիա կարտադրի, քան սպառում է: Նման էլեկտրակայանը կարող է էլեկտրաէներգիա արտադրել՝ առանց շահագործման ընթացքում ջերմոցային գազեր արտանետելու և շատ քիչ ռադիոակտիվ թափոններ է առաջացնելու։ Fusion-ի վառելիքը՝ ջրածնի մի տեսակ, որը կարող է ստացվել ծովի ջրից, գործնականում անսահման է:
Սակայն այն գործելու համար պահանջվում է վառելիքը սեղմել անսովոր բարձր ջերմաստիճանների՝ հսկայական ճնշման պայմաններում, և քանի որ ոչ մի հայտնի նյութ չի կարող դիմակայել նման ջերմաստիճաններին, վառելիքը պետք է պահվի չափազանց հզոր մագնիսական դաշտերի միջոցով: Նման ուժեղ դաշտեր արտադրելու համար անհրաժեշտ են գերհաղորդիչ մագնիսներ, սակայն բոլոր նախկին ջերմամիջուկային մագնիսները պատրաստված էին գերհաղորդիչ նյութից, որը պահանջում էր բացարձակ զրոյից մինչեւ մոտ 4 աստիճան (4 կելվին կամ -270 աստիճան Ցելսիուս) սառը ջերմաստիճան: Վերջին մի քանի տարիների ընթացքում REBCO մականունով ավելի նոր նյութը, որը հազվագյուտ հողերի՝ բարիումի և պղնձի օքսիդ է, ավելացվում է միաձուլվող մագնիսներին և թույլ է տալիս նրանց աշխատել 20 կելվինի վրա, ջերմաստիճան, որը, չնայած ընդամենը 16 կելվինով ավելի տաք լինելուն, նյութական հատկությունների և գործնական ճարտարագիտության զգալի առավելություններ է տալիս:
REBCO-ի նոր նյութը «արտասովոր տարբերվում է նախորդ սերնդի գերհաղորդիչների համեմատ: Դուք ոչ միայն հարմարվելու և փոխարինվելու եք, այլ իրականում նորամուծություններ կանեք զրոյից» - ասում է Ուայթը: «Կիրառական գերհաղորդականության վերաբերյալ» ամսագրում հրապարակված նոր հոդվածները նկարագրում են այդ վերանախագծման գործընթացի մանրամասները, այժմ, երբ արտոնագրային պաշտպանությունը գործում է:
Հիմնական նորամուծություն. մեկուսացում չկա
Դրամատիկ նորամուծություններից մեկը, որի հաջողության շանսերին այս ոլորտում շատերը թերահավատորեն էին վերաբերում, մագնիս ձևավորող գերհաղորդիչ բարակ, հարթ ժապավենների մեկուսացման վերացումն էր: Ինչպես գրեթե բոլոր էլեկտրական լարերը, այնպես էլ սովորական գերհաղորդիչ մագնիսները լիովին պաշտպանված են մեկուսիչ նյութով՝ լարերի միջև կարճ միացումները կանխելու համար: Բայց նոր մագնիսի մեջ ժապավենը ամբողջովին բաց է մնացել. ինժեներները հենվել են REBCO-ի շատ ավելի մեծ հաղորդունակության վրա՝ նյութի միջով հոսանքը պահպանելու համար:
«Երբ մենք սկսեցինք այս նախագիծը 2018 թվականին, բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչների օգտագործման տեխնոլոգիան լայնածավալ բարձր դաշտային մագնիսներ կառուցելու համար դեռ կիրառելի չէր», - ասում է Ռոբերտ Ն. Նոյսի անվան Միջուկային գիտության և ճարտարագիտության ամբիոնի կարիերայի զարգացման պրոֆեսոր Զաք Հարթվիգը: Հարթվիգը համանշանակվել է PSFC-ում և հանդիսանում է նրա ինժեներական խմբի ղեկավարը, որը առաջնորդում էր մագնիսի զարգացման նախագիծը: «Նորագույն փոքրածավալ նստարանային փորձարկումները իրականում չէին ներկայացնում այն, ինչ անհրաժեշտ է լիարժեք չափսի իրեր ստանալու համար: Մագնիսների մշակման մեր նախագիծը սկսվեց նստարանային մասշտաբով և կարճ ժամանակում ավարտվեց լիարժեք մասշտաբով», - ավելացնում է նա՝ նշելով, որ թիմը պատրաստել է 20,000 ֆունտ կշռող մագնիս, որն արտադրել է կայուն, նույնիսկ մագնիսական դաշտ՝ 20 թեսլայից մի փոքր ավելի շատ՝ առավել քան երբևէ մեծ մասշտաբով արտադրված ցանկացած նման դաշտ:
Հասցնելով սահմանաչափին… և ավելին
Նախնական թեստը, որը նկարագրված էր նախորդ հոդվածներում, ապացուցեց, որ նախագծման և արտադրության գործընթացը ոչ միայն աշխատող էր, այլև շատ կայուն, ինչի վրա որոշ հետազոտողներ կասկածում էին: Հաջորդ երկու փորձարկումները, որոնք նույնպես կատարվել են 2021 թվականի վերջին, հասցրեցին սարքը սահմանագծին՝ միտումնավոր ստեղծելով անկայուն պայմաններ, ներառյալ մուտքային հոսանքի ամբողջական անջատում, որը կարող էր հանգեցնել աղետալի գերտաքացման: Հայտնի է որպես «մարող», սա համարվում է ամենավատ սցենարը նման մագնիսների շահագործման համար՝ սարքավորումները ոչնչացնելու հնարավորությամբ:
Հետագայում, կրիտիկական պայմաններում մագնիսի փորձարկումների ժամանակ, ստուգվեցին նրա վարքագծի տեսական մոդելները մինչև մասնակի ոչնչացում (ոլորուն հալեցում): Սա կարևոր էր էլեկտրամագնիսների նախագծումը բարելավելու և կատարողական բնութագրերի փորձարկման համար՝ ապագա ջերմամիջուկային ռեակտորներում օգտագործելու համար: Մշակման հոդվածների հրապարակումն այսօր հնարավոր դարձավ էլեկտրամագնիսների նախագծման և դրանց շահագործման սկզբունքների վերաբերյալ արտոնագրեր ստանալուց հետո։ Հետազոտությունը մեզ մոտեցնում է այն պահին, երբ մարդու կողմից ստեղծված Արեգակը կարող է լուսավորվել Երկիրը, և էլեկտրական ցանցերի էներգիան կդառնա անվերջ և գործնականում մաքուր:
Աղբյուրը՝ https://news.mit.edu/2024/tests-show-high-temperature-superconducting-magnets-fusion-ready-0304