Детальное исследование магнитов, созданных MIT и Commonwealth Fusion Systems, подтверждает, что они соответствуют требованиям для экономичной и компактной термоядерной электростанции․
5 сентября 2021 года инженеры достигли важной вехи в лабораториях Центра науки о плазме и термоядерном синтезе Массачусетского технологического института (PSFC). Новый тип магнита, изготовленный из высокотемпературного сверхпроводящего материала, достиг мирового рекорда - напряженности магнитного поля в 20 тесла для крупногабаритного магнита. Именно такая интенсивность необходима для строительства термоядерной электростанции, которая, как ожидается, будет производить чистую электроэнергию и потенциально откроет эру практически безграничного производства энергии.
Испытание было немедленно объявлено успешным, поскольку оно соответствовало всем критериям, установленным для разработки нового термоядерного устройства, получившего название SPARC, для которого магниты являются ключевой технологией.
Кульминацией всей этой работы стал подробный отчет исследователей из PSFC и дочерней компании MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS), опубликованный в сборнике из шести рецензируемых статей в специальном выпуске мартовского выпуска журнала IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Вместе в документах описывается конструкция и изготовление магнита и диагностического оборудования, необходимого для оценки его производительности, а также уроки, извлеченные из этого процесса. В целом команда обнаружила, что прогнозы и компьютерное моделирование оказались точными, подтвердив, что уникальные элементы конструкции магнита могут служить основой для термоядерной электростанции.
До появления этой разработки лучшие из доступных сверхпроводящих магнитов были достаточно мощными, чтобы потенциально достичь энергии термоядерного синтеза (поддерживать температуру плазмы до 100 миллионов °C в изоляции от стенок рабочей камеры), но только при таких размерах и затратах, которые никогда не могли быть достигнуты. быть практичным или экономически жизнеспособным. Затем, когда испытания показали практичность такого сильного магнита при значительно уменьшенном размере, «в одночасье стоимость ватта термоядерного реактора изменилась почти в 40 раз за один день», — говорит Уайт.
Обеспечение практической термоядерной энергии
Успешное испытание магнита, по словам профессора инженерных наук Hitachi America Денниса Уайта, который недавно ушел с поста директора PSFC, было «на мой взгляд, самым важным событием за последние 30 лет исследований в области термоядерного синтеза».
До демонстрации 5 сентября лучшие из доступных сверхпроводящих магнитов были достаточно мощными, чтобы потенциально достичь энергии термоядерного синтеза (поддерживать температуру плазмы до 100 миллионов °C в изоляции от стенок рабочей камеры), но только при таких размерах и затратах, которые никогда не могли быть достигнуты. быть практичным или экономически жизнеспособным. Затем, когда испытания показали практичность такого сильного магнита при значительно уменьшенном размере, «за одну ночь он фактически изменил стоимость ватта термоядерного реактора почти в 40 раз за один день», — говорит Уайт.
«Теперь у термоядерного синтеза есть шанс, — утверждают учёные. — Наиболее широко используемая конструкция для экспериментальных термоядерных устройств, получила шанс стать экономичной, потому что у вас появились скачкообразные изменения в этой области». Это способность значительно уменьшить размер и стоимость объектов, которые сделали бы возможным термоядерный синтез.
Сверхпроводящий прорыв
Термоядерный синтез, процесс объединения легких атомов в более тяжелые, питает Солнце и звезды, но использование этого процесса на Земле оказалось сложной задачей, требующей десятилетий напряженной работы и многих миллиардов долларов, потраченных на экспериментальные устройства. Давно желаемая, но так и не достигнутая цель — построить термоядерную электростанцию, которая будет производить больше энергии, чем потребляет. Такая электростанция могла бы производить электроэнергию, не выделяя парниковых газов во время работы и производя очень мало радиоактивных отходов. Топливо для термоядерного синтеза — форма водорода, которую можно получить из морской воды, — практически безгранична.
Но чтобы это заработало, необходимо сжимать топливо при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, а поскольку ни один известный материал не может выдержать такие температуры, топливо должно удерживаться на месте чрезвычайно мощными магнитными полями. Для создания таких сильных полей требуются сверхпроводящие магниты, но все предыдущие термоядерные магниты изготавливались из сверхпроводящего материала, который требует холодных температур около 4 градусов выше абсолютного нуля (4 Кельвина, или -270 градусов по Цельсию). В последние несколько лет к термоядерным магнитам был добавлен новый материал, получивший название REBCO (оксид редкоземельных бария и меди), который позволяет им работать при температуре 20 К, температуре, которая, несмотря на то, что она всего на 16 К выше, дает значительные преимущества с точки зрения свойств материалов и практической инженерии.
Использование преимуществ этого нового высокотемпературного сверхпроводящего материала заключалось не только в замене его в существующих конструкциях магнитов. Вместо этого «это была переработка с нуля почти всех принципов, которые используются для создания сверхпроводящих магнитов», — говорит Уайт. Новый материал REBCO «чрезвычайно отличается от предыдущего поколения сверхпроводников. Вы не просто будете адаптироваться и заменять, вы фактически будете внедрять инновации с нуля». Новые статьи в журнале «Транзакции по прикладной сверхпроводимости» описывают детали этого процесса модернизации теперь, когда действует патентная защита.
Ключевое нововведение: отсутствие изоляции
Одним из драматических нововведений, заставивших многих специалистов в этой области скептически относиться к его шансам на успех, было устранение изоляции вокруг тонких плоских лент сверхпроводящей ленты, образующих магнит. Как практически все электрические провода, обычные сверхпроводящие магниты полностью защищены изоляционным материалом для предотвращения коротких замыканий между проводами. Но в новом магните лента осталась совершенно голой; инженеры полагались на гораздо большую проводимость REBCO, чтобы поддерживать ток через материал.
В качестве обмотки был выбран высокотемпературный сверхпроводник REBCO — это редкоземельный оксид бария-меди, который позволяет достигать сверхпроводящего эффекта при температуре 20 К — это на 16 К выше обычной сверхпроводимости, что меняет правила игры несмотря на кажущуюся небольшую разницу в глубине охлаждения. На один электромагнит ушло 300 км полосы REBCO. Только представьте, сколько экономии пространства в катушке стало возможным благодаря отказу от изоляции этого провода. Кстати, в MIT не назвали поставщика этого провода, поэтому им вполне может оказаться китайский производитель Shanghai Superconductor.
«Когда мы начали этот проект, скажем, в 2018 году, технология использования высокотемпературных сверхпроводников для создания крупномасштабных магнитов с сильным полем находилась в зачаточном состоянии», — говорит Зак Хартвиг, профессор по развитию карьеры Роберта Н. Нойса на кафедре. ядерной науки и техники. Хартвиг имеет совместную должность в PSFC и является главой ее инженерной группы, которая руководила проектом разработки магнита. «Современное состояние техники представляло собой небольшие настольные эксперименты, которые не совсем отражали то, что нужно для создания полноразмерной вещи. Наш проект по разработке магнита начался в настольном масштабе и за короткое время завершился в полном масштабе», — добавляет он, отмечая, что команда создала магнит массой 20 000 фунтов, который создавал устойчивое, равномерное магнитное поле силой чуть более 20 тесла — далеко превосходит любую подобную область, когда-либо разрабатываемую в больших масштабах.
Доводим до предела… и даже дальше
Первоначальные испытания, описанные в предыдущих статьях, доказали, что процесс проектирования и производства не только работал, но и был очень стабильным — в чем некоторые исследователи сомневались. Следующие два тестовых запуска, также проведенные в конце 2021 года, довели устройство до предела, намеренно создавая нестабильные условия, включая полное отключение поступающего питания, что может привести к катастрофическому перегреву. Это явление, известное как гашение, считается наихудшим сценарием работы таких магнитов, которое может привести к разрушению оборудования.
Позже во время испытаний магнита на критических режимах были проверены теоретические модели его поведения вплоть до частичного разрушения (расплавления обмотки). Это было важно для улучшения конструкции и отработки эксплуатационных характеристик электромагнитов для использования в будущих термоядерных реакторах. Выход сегодня статей по разработке стал возможным после получения патентов на конструкцию электромагнитов и принципы их работы. Исследование приближает тот момент, когда на Земле может зажечься рукотворное Солнце, а энергия в электросетях станет бесконечной и практически чистой.
Источник`https://news.mit.edu/2024/tests-show-high-temperature-superconducting-magnets-fusion-ready-0304
Испытание было немедленно объявлено успешным, поскольку оно соответствовало всем критериям, установленным для разработки нового термоядерного устройства, получившего название SPARC, для которого магниты являются ключевой технологией.
Кульминацией всей этой работы стал подробный отчет исследователей из PSFC и дочерней компании MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS), опубликованный в сборнике из шести рецензируемых статей в специальном выпуске мартовского выпуска журнала IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Вместе в документах описывается конструкция и изготовление магнита и диагностического оборудования, необходимого для оценки его производительности, а также уроки, извлеченные из этого процесса. В целом команда обнаружила, что прогнозы и компьютерное моделирование оказались точными, подтвердив, что уникальные элементы конструкции магнита могут служить основой для термоядерной электростанции.
До появления этой разработки лучшие из доступных сверхпроводящих магнитов были достаточно мощными, чтобы потенциально достичь энергии термоядерного синтеза (поддерживать температуру плазмы до 100 миллионов °C в изоляции от стенок рабочей камеры), но только при таких размерах и затратах, которые никогда не могли быть достигнуты. быть практичным или экономически жизнеспособным. Затем, когда испытания показали практичность такого сильного магнита при значительно уменьшенном размере, «в одночасье стоимость ватта термоядерного реактора изменилась почти в 40 раз за один день», — говорит Уайт.
Обеспечение практической термоядерной энергии
Успешное испытание магнита, по словам профессора инженерных наук Hitachi America Денниса Уайта, который недавно ушел с поста директора PSFC, было «на мой взгляд, самым важным событием за последние 30 лет исследований в области термоядерного синтеза».
До демонстрации 5 сентября лучшие из доступных сверхпроводящих магнитов были достаточно мощными, чтобы потенциально достичь энергии термоядерного синтеза (поддерживать температуру плазмы до 100 миллионов °C в изоляции от стенок рабочей камеры), но только при таких размерах и затратах, которые никогда не могли быть достигнуты. быть практичным или экономически жизнеспособным. Затем, когда испытания показали практичность такого сильного магнита при значительно уменьшенном размере, «за одну ночь он фактически изменил стоимость ватта термоядерного реактора почти в 40 раз за один день», — говорит Уайт.
«Теперь у термоядерного синтеза есть шанс, — утверждают учёные. — Наиболее широко используемая конструкция для экспериментальных термоядерных устройств, получила шанс стать экономичной, потому что у вас появились скачкообразные изменения в этой области». Это способность значительно уменьшить размер и стоимость объектов, которые сделали бы возможным термоядерный синтез.
Сверхпроводящий прорыв
Термоядерный синтез, процесс объединения легких атомов в более тяжелые, питает Солнце и звезды, но использование этого процесса на Земле оказалось сложной задачей, требующей десятилетий напряженной работы и многих миллиардов долларов, потраченных на экспериментальные устройства. Давно желаемая, но так и не достигнутая цель — построить термоядерную электростанцию, которая будет производить больше энергии, чем потребляет. Такая электростанция могла бы производить электроэнергию, не выделяя парниковых газов во время работы и производя очень мало радиоактивных отходов. Топливо для термоядерного синтеза — форма водорода, которую можно получить из морской воды, — практически безгранична.
Но чтобы это заработало, необходимо сжимать топливо при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, а поскольку ни один известный материал не может выдержать такие температуры, топливо должно удерживаться на месте чрезвычайно мощными магнитными полями. Для создания таких сильных полей требуются сверхпроводящие магниты, но все предыдущие термоядерные магниты изготавливались из сверхпроводящего материала, который требует холодных температур около 4 градусов выше абсолютного нуля (4 Кельвина, или -270 градусов по Цельсию). В последние несколько лет к термоядерным магнитам был добавлен новый материал, получивший название REBCO (оксид редкоземельных бария и меди), который позволяет им работать при температуре 20 К, температуре, которая, несмотря на то, что она всего на 16 К выше, дает значительные преимущества с точки зрения свойств материалов и практической инженерии.
Использование преимуществ этого нового высокотемпературного сверхпроводящего материала заключалось не только в замене его в существующих конструкциях магнитов. Вместо этого «это была переработка с нуля почти всех принципов, которые используются для создания сверхпроводящих магнитов», — говорит Уайт. Новый материал REBCO «чрезвычайно отличается от предыдущего поколения сверхпроводников. Вы не просто будете адаптироваться и заменять, вы фактически будете внедрять инновации с нуля». Новые статьи в журнале «Транзакции по прикладной сверхпроводимости» описывают детали этого процесса модернизации теперь, когда действует патентная защита.
Ключевое нововведение: отсутствие изоляции
Одним из драматических нововведений, заставивших многих специалистов в этой области скептически относиться к его шансам на успех, было устранение изоляции вокруг тонких плоских лент сверхпроводящей ленты, образующих магнит. Как практически все электрические провода, обычные сверхпроводящие магниты полностью защищены изоляционным материалом для предотвращения коротких замыканий между проводами. Но в новом магните лента осталась совершенно голой; инженеры полагались на гораздо большую проводимость REBCO, чтобы поддерживать ток через материал.
В качестве обмотки был выбран высокотемпературный сверхпроводник REBCO — это редкоземельный оксид бария-меди, который позволяет достигать сверхпроводящего эффекта при температуре 20 К — это на 16 К выше обычной сверхпроводимости, что меняет правила игры несмотря на кажущуюся небольшую разницу в глубине охлаждения. На один электромагнит ушло 300 км полосы REBCO. Только представьте, сколько экономии пространства в катушке стало возможным благодаря отказу от изоляции этого провода. Кстати, в MIT не назвали поставщика этого провода, поэтому им вполне может оказаться китайский производитель Shanghai Superconductor.
«Когда мы начали этот проект, скажем, в 2018 году, технология использования высокотемпературных сверхпроводников для создания крупномасштабных магнитов с сильным полем находилась в зачаточном состоянии», — говорит Зак Хартвиг, профессор по развитию карьеры Роберта Н. Нойса на кафедре. ядерной науки и техники. Хартвиг имеет совместную должность в PSFC и является главой ее инженерной группы, которая руководила проектом разработки магнита. «Современное состояние техники представляло собой небольшие настольные эксперименты, которые не совсем отражали то, что нужно для создания полноразмерной вещи. Наш проект по разработке магнита начался в настольном масштабе и за короткое время завершился в полном масштабе», — добавляет он, отмечая, что команда создала магнит массой 20 000 фунтов, который создавал устойчивое, равномерное магнитное поле силой чуть более 20 тесла — далеко превосходит любую подобную область, когда-либо разрабатываемую в больших масштабах.
Доводим до предела… и даже дальше
Первоначальные испытания, описанные в предыдущих статьях, доказали, что процесс проектирования и производства не только работал, но и был очень стабильным — в чем некоторые исследователи сомневались. Следующие два тестовых запуска, также проведенные в конце 2021 года, довели устройство до предела, намеренно создавая нестабильные условия, включая полное отключение поступающего питания, что может привести к катастрофическому перегреву. Это явление, известное как гашение, считается наихудшим сценарием работы таких магнитов, которое может привести к разрушению оборудования.
Позже во время испытаний магнита на критических режимах были проверены теоретические модели его поведения вплоть до частичного разрушения (расплавления обмотки). Это было важно для улучшения конструкции и отработки эксплуатационных характеристик электромагнитов для использования в будущих термоядерных реакторах. Выход сегодня статей по разработке стал возможным после получения патентов на конструкцию электромагнитов и принципы их работы. Исследование приближает тот момент, когда на Земле может зажечься рукотворное Солнце, а энергия в электросетях станет бесконечной и практически чистой.
Источник`https://news.mit.edu/2024/tests-show-high-temperature-superconducting-magnets-fusion-ready-0304