Новый сверхпроводящий магнит побивает рекорды напряженности магнитного поля, открывая путь для термоядерной энергии

 

По словам руководителей проекта в Массачусетском технологическом институте и начинающей компании Commonwealth Fusion Systems (CFS), эта успешная демонстрация помогает разрешить величайшую неопределенность в стремлении построить первую в мире термоядерную электростанцию, которая может производить больше энергии, чем потребляет.

Этот крупнокалиберный, полномасштабный высокотемпературный сверхпроводящий магнит, разработанный и изготовленный Commonwealth Fusion Systems и Центром плазменных исследований и синтеза (PSFC) Массачусетского технологического института, продемонстрировал рекордное магнитное поле в 20 тесла. Это самый сильный термоядерный магнит в мире. Предоставлено: Гретхен Эртл, CFS / MIT-PSFC, 2021 г.

По их словам, этот прогресс открывает путь к долгожданному созданию практичных, недорогих, безуглеродных электростанций, которые могут внести важный вклад в ограничение последствий глобального изменения климата.

«Термоядерный синтез во многих отношениях является наиболее чистым источником энергии», — говорит Мария Зубер, вице-президент Массачусетского технологического института по исследованиям и профессор геофизики Е.А. Гризвольд. «Количество доступной мощности действительно меняет правила игры». Топливо, используемое для создания термоядерной энергии, поступает из воды, и «Земля полна воды — это почти неограниченный ресурс. Нам просто нужно придумать, как это использовать ».

Разработка нового магнита рассматривается как величайшее технологическое препятствие на пути к этому; его успешная работа теперь открывает дверь для демонстрации синтеза в лаборатории на Земле, к чему десятилетиями добивались с ограниченным прогрессом. Теперь, когда магнитная технология успешно продемонстрирована, сотрудничество MIT-CFS на пути к созданию первого в мире термоядерного устройства, которое может создавать и удерживать плазму, которая производит больше энергии, чем потребляет. Это демонстрационное устройство под названием SPARC планируется завершить в 2025 году.

«Проблемы, связанные с осуществлением термоядерного синтеза, носят как технический, так и научный характер, — говорит Деннис Уайт, директор Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института, который работает с CFS над разработкой SPARC. Но как только технология будет проверена, говорит он, «это неисчерпаемый, безуглеродный источник энергии, который можно использовать в любом месте и в любое время. Это действительно принципиально новый источник энергии ».

Уайт, профессор инженерных наук Hitachi America, говорит, что демонстрация на этой неделе представляет собой важную веху, решающую самые большие оставшиеся вопросы относительно осуществимости дизайна SPARC. «Я считаю, что это действительно переломный момент в науке и технологии термоядерного синтеза», — говорит он.

Солнце в бутылке

Синтез — это процесс, приводящий в действие Солнце: слияние двух маленьких атомов в один больший, высвобождающее колоссальное количество энергии. Но для этого процесса требуются температуры, намного превышающие те, которые выдерживает любой твердый материал. Для захвата солнечного источника энергии здесь, на Земле, необходим способ улавливания и удержания чего-то очень горячего — 100000000 градусов или более — путем подвешивания его таким образом, чтобы предотвратить его контакт с чем-либо твердым.

Коллективная команда работает над магнитом на испытательном стенде Массачусетского технологического института. Исследования, конструирование и тестирование этого магнита были крупнейшим направлением деятельности команды SPARC, которая выросла до 270 человек. Предоставлено: Гретхен Эртл, CFS / MIT-PSFC, 2021 г.

Это достигается за счет сильных магнитных полей, которые образуют своего рода невидимую бутылку, в которой хранится горячий клубящийся суп из протонов и электронов, называемый плазмой. Поскольку частицы имеют электрический заряд, они сильно контролируются магнитными полями, и наиболее широко используемой конфигурацией для их удержания является устройство в форме пончика, называемое токамаком. Большинство этих устройств создают свои магнитные поля с помощью обычных электромагнитов из меди, но последняя и самая большая версия, строящаяся во Франции, называется ITER, использует так называемые низкотемпературные сверхпроводники.

Основным нововведением в конструкции термоядерного синтеза MIT-CFS является использование высокотемпературных сверхпроводников, которые обеспечивают гораздо более сильное магнитное поле в меньшем пространстве. Эта конструкция стала возможной благодаря новому виду сверхпроводящего материала, который стал коммерчески доступным несколько лет назад. Идея изначально возникла как классный проект в классе ядерной инженерии, который вел Уайт. Идея казалась настолько многообещающей, что она продолжала развиваться в течение следующих нескольких итераций этого класса, что привело к концепции проекта электростанции ARC в начале 2015 года. SPARC, рассчитанный примерно на половину размера ARC, является испытательным стендом, чтобы доказать, что концепция до строительства полноразмерного энергетического завода.

До сих пор единственным способом получить колоссально мощные магнитные поля, необходимые для создания магнитной «бутылки», способной удерживать плазму, нагретую до сотен миллионов градусов, было делать их все больше и больше. Но новый высокотемпературный сверхпроводящий материал, выполненный в форме плоской ленточной ленты, позволяет достичь более высокого магнитного поля в меньшем устройстве, сравнимых с характеристиками, которые были бы достигнуты в устройстве, в 40 раз большем в объем с использованием обычных низкотемпературных сверхпроводящих магнитов. Такой скачок мощности по сравнению с размером — ключевой элемент революционного дизайна ARC.

Использование новых высокотемпературных сверхпроводящих магнитов позволяет применять десятилетия экспериментальных знаний, полученных в ходе экспериментов на токамаках, включая собственную серию Alcator Массачусетского технологического института. В новом подходе используется хорошо известная конструкция, но при этом все уменьшается примерно до половины линейного размера, и все же достигается те же рабочие условия из-за более высокого магнитного поля.

В серии научных статей, опубликованных в прошлом году, были изложены физические основы и с помощью моделирования подтверждена жизнеспособность нового термоядерного устройства. Документы показали, что, если магниты будут работать, как ожидалось, вся термоядерная система действительно должна вырабатывать полезную выходную мощность — впервые за десятилетия исследований в области термоядерного синтеза.

Мартин Гринвальд, заместитель директора и старший научный сотрудник PSFC, говорит, что в отличие от некоторых других проектов термоядерных экспериментов, «ниша, которую мы заполняли, заключалась в использовании традиционной физики плазмы, традиционных конструкций и инженерных решений токамаков, но с добавлением этого нового магнита. технология. Итак, нам не требовались инновации в полдюжине различных областей. Мы просто вводили новшества с помощью магнита, а затем применяли базу знаний из того, что было изучено за последние десятилетия ».

Это сочетание научно обоснованных принципов проектирования и изменяющей правила игры напряженности магнитного поля — вот что позволяет создать установку, которая могла бы быть экономически жизнеспособной и быстро развиваться. «Это важный момент, — говорит Боб Мамгаард, генеральный директор CFS. «Теперь у нас есть платформа, которая является очень продвинутой с научной точки зрения благодаря десятилетиям исследований этих машин, а также очень интересна с коммерческой точки зрения. Что он делает, так это позволяет нам создавать устройства быстрее, меньше и с меньшими затратами », — говорит он об успешной демонстрации магнита.

Доказательство концепции

Для воплощения этой новой концепции магнитов в реальность потребовалось три года интенсивной работы над дизайном, налаживанием цепочек поставок и отработкой методов производства магнитов, которые, возможно, в конечном итоге придется производить тысячами.

«Мы создали первый в своем роде сверхпроводящий магнит. Потребовалось много работы по созданию уникальных производственных процессов и оборудования. В результате мы теперь хорошо подготовлены к наращиванию производства SPARC », — говорит Джой Данн, руководитель производственного отдела CFS. «Мы начали с физической модели и проектирования САПР, а затем проработали множество разработок и прототипов, чтобы превратить бумажный дизайн в настоящий физический магнит». Это повлекло за собой создание производственных мощностей и средств тестирования, включая итерационный процесс с участием нескольких поставщиков сверхпроводящей ленты, чтобы помочь им достичь способности производить материал, отвечающий необходимым спецификациям, и для которого CFS в настоящее время является крупнейшим пользователем в мире.

По ее словам, они работали параллельно с двумя возможными конструкциями магнитов, оба из которых соответствовали проектным требованиям. «Это действительно сводилось к тому, какой из них коренным образом изменит способ создания сверхпроводящих магнитов, а какой из них будет проще построить». По ее словам, дизайн, который они приняли, явно выделялся в этом отношении.

В этом тесте новый магнит постепенно включался в серию шагов, пока не было достигнуто целевое значение магнитного поля в 20 тесла — самая высокая напряженность поля, когда-либо существовавшая для высокотемпературного сверхпроводящего термоядерного магнита. Магнит состоит из 16 пластин, сложенных вместе, каждая из которых сама по себе может быть самым мощным высокотемпературным сверхпроводящим магнитом в мире.

«Три года назад мы объявили о плане, — говорит Мумгаард, — создать магнит мощностью 20 тесла, который нам понадобится для будущих термоядерных машин». По его словам, эта цель теперь достигнута точно по графику, даже с учетом пандемии.

Ссылаясь на серию статей по физике, опубликованных в прошлом году, Брэндон Сорбом, главный научный сотрудник CFS, говорит, что «в основном в документах делается вывод о том, что если мы построим магнит, вся физика будет работать в SPARC. Итак, эта демонстрация отвечает на вопрос: могут ли они построить магнит? Это очень интересное время! Это огромная веха ».

Следующим шагом будет строительство SPARC, уменьшенной версии планируемой электростанции ARC. Успешная эксплуатация SPARC продемонстрирует, что полномасштабная коммерческая термоядерная электростанция практична, открывая путь для быстрого проектирования и строительства этого новаторского устройства, которое затем может продолжаться на полной скорости.

Зубер говорит: «Теперь я искренне оптимистичен в отношении того, что SPARC может достичь чистой положительной энергии, основываясь на продемонстрированных характеристиках магнитов. Следующим шагом будет масштабирование, чтобы построить настоящую электростанцию. Впереди еще много проблем, не последней из которых является разработка конструкции, обеспечивающей надежную и стабильную работу. И, понимая, что цель здесь — коммерциализация, еще одна серьезная проблема будет экономической. Как вы спроектируете эти электростанции, чтобы их строительство и развертывание было рентабельным? »

Когда-нибудь в долгожданном будущем, когда могут появиться тысячи термоядерных установок, питающих чистые электрические сети по всему миру, Зубер говорит: «Я думаю, мы собираемся оглянуться назад и подумать о том, как мы этого достигли, и я думаю, что демонстрация Магнитной технологии для меня это время, когда я поверил, что, вау, мы действительно можем это сделать ».

«Успешное создание термоядерного устройства, вырабатывающего энергию, было бы огромным научным достижением», — отмечает Зубер. Но главное не в этом. «На данный момент никто из нас не пытается выиграть трофеи. Мы пытаемся сделать планету пригодной для жизни ».

 

⏬