Високотемпературните свръхпроводящи магнити са готови за синтез, показват тестовете

Ваня Милева Последна промяна на 06 март 2024 в 00:00 6299 0

В Центъра за науки за плазмата и синтез на MIT новите магнити постигнаха световен рекорд за сила на магнитното поле от 20 тесла за голям магнит.

Кредит Gretchen Ertl

В Центъра за науки за плазмата и синтез на MIT новите магнити постигнаха световен рекорд за сила на магнитното поле от 20 тесла за голям магнит.

В ранните часове на 5 септември 2021 г. инженерите от Масачузетския технологичен институт (MIT) постигнаха важен етап в лабораториите на Центъра за науки за плазмата и синтез (PSFC) на MIT, когато нов тип магнит, направен от високотемпературен свръхпроводящ материал, постигна световен рекорд за сила на магнитното поле от 20 тесла за голям магнит. Това е интензитетът, необходим за изграждане на термоядрена електроцентрала, която се очаква да произведе нетна мощност и потенциално да открие нова ера на практически неограничено производство на електроенергия.

Тестът бе обявен за успешен веднага, след като изпълни всички критерии, установени за дизайна на новото термоядрено съоръжение, наречено SPARC, за което магнитите са ключова технология.

Но това далеч не е краят на процеса. През следващите месеци екипът инспектира компонентите на магнита, прегледа и анализира данните от стотици инструменти, които са записвали подробности от тестовете, и извърши два допълнителни теста на същия магнит, за да проучи всички възможни случаи на повреда.

Цялата работа вече е завършила с подробен доклад от изследователи от PSFC и спиноут компанията Commonwealth Fusion Systems (CFS) на изследователи от MIT, публикуван в серия от шест рецензирани статии в специално издание на мартенския брой на IEEE Transactions on Applied Superconductivity.

Заедно документите описват конструкцията и производството на магнита и диагностичното оборудване, необходимо за оценка на неговата ефективност, както и констратациите, извлечени от процеса. Като цяло, екипът установява, че прогнозите и компютърното моделиране са били точни, потвърждавайки, че уникалните конструктивни елементи на магнита могат да послужат като основа за термоядрена електроцентрала.

Магнитите позволяват производствена термоядрена мощност

Преди демонстрацията на 5 септември най-добрите налични свръхпроводящи магнити бяха достатъчно мощни, за да постигнат потенциално енергия от термоядрен синтез - но само при размери и разходи, които не могат да се определят като практични или икономически изгодни. След това, когато тестовете показаха практичността на такъв силен магнит при значително намален размер, "за една нощ той основно промени цената на ват на термоядрения реактор с коефициент почти 40 за един ден", обяснява Денис Уайт (Dennis Whyte), професор на Hitachi America, който наскоро се оттегли като директор на PSFC.

"Сега синтезът има шанс", добавя Уайт. Токамаците [вижте вложката най-долу], най-широко използваният модел за експериментални термоядрени устройства, "има шанс, по мое мнение, да бъде икономичен, защото има квантова промяна в способността си, с известните правила на физиката на ограничаване, за това да може значително да се намали размера и цената на обектите, които биха направили синтеза възможен."

Изчерпателните данни и анализ от магнитния тест на PSFC, както е описано подробно в шестте нови статии, показаха, че плановете за ново поколение термоядрени устройства – проектирани от MIT и CFS, както и подобни проекти от други комерсиални термоядрени компании – са изградени върху солидна научна основа.

Пробив в областта на свръхпроводимостта

Ядреният синтез, процесът на комбиниране на леки атоми за образуване на по-тежки, захранва Слънцето и звездите, но овладяването на този процес на Земята се оказа обезсърчително трудно, въпреки десетилетията упорита работа и многото милиарди долари, похарчени за експериментални устройства.

Дълго търсената, но никога не постигната цел е да се изгради термоядрена електроцентрала, която произвежда повече енергия, отколкото консумира. Такава електроцентрала може да произвежда електричество, без да отделя парникови газове по време на работа и да генерира много малко радиоактивни отпадъци. Горивото за синтеза - форма на водород, която може да се извлече от морска вода, е практически неограничено.

Но за да работи, е необходимо горивото да се компресира при изключително високи температури и налягания и тъй като никой известен материал не може да издържи на такива температури, горивото трябва да се задържи на място от изключително мощни магнитни полета. Произвеждането на такива силни полета изисква свръхпроводящи магнити, но всички предишни термоядрени магнити са направени от свръхпроводящ материал, който изисква изключително ниски температури от около 4 градуса над абсолютната нула (4 келвина или -270°C).

През последните няколко години по-нов материал, наречен REBCO, за редкоземен бариев меден оксид, бе добавен към термоядрените магнити и което им позволява да работят при 20 келвина, температура, която въпреки че е само с 16 келвина по-висока, носи значителни предимства по отношение свойства на материалите и практическо инженерство.

Но въвеждането на този нов високотемпературен свръхпроводящ материал не става с просто заместване в съществуващите дизайни на магнити.

Вместо това "това беше преработка от нулата на почти всички принципи, които се използват за изграждане на свръхпроводящи магнити", разказва Уайт.

Новите документи в IEEE Transactions on Applied Superconductivity описват детайлите на този процес на редизайн, сега, когато патентната защита е налице.

Екипът спуска магнита в контейнера на криостата. Кредит: Gretchen Ertl

Ключовото нововъведение: Без изолация

Едно от драматичните нововъведения, което накара много експерти от областта да бъдат скептични относно шансовете му за успех, бе премахването на изолацията около тънките, плоски ленти от свръхпроводяща лента, които образуват магнита. Като практически всички електрически проводници, конвенционалните свръхпроводящи магнити са напълно защитени от изолационен материал, за да се предотврати късо съединение между проводниците. Но в новия магнит лентата останава напълно гола - инженерите разчитат на много по-голямата проводимост на на новия материал REBCO да поддържа тока, протичащ през него.

"Когато започнахме този проект, да кажем през 2018 г., технологията за използване на високотемпературни свръхпроводници за изграждане на широкомащабни магнити с високо поле бе в начален стадий", отбелязва Зак Хартуиг (Zach Hartwig), професор в катедрата по ядрена наука и инженерство в PSFC и ръководител на неговата инженерна група, която ръководи проекта за разработване на магнити.

"Състоянието на техниката бяха малки настолни експерименти, не особено представителни за това, което е необходимо, за да се изгради нещо в пълен размер. Нашият проект за разработка на магнити започна в настолен мащаб и завърши в пълен мащаб за кратко време", добавя Хартуиг, отбелязвайки, че екипът е построил магнит от 9 тона, който произвежда стабилно, равномерно магнитно поле от малко над 20 тесла - далеч над всяко подобно поле, създавано някога в голям мащаб.

"Стандартният начин за изграждане на тези магнити е да се навие проводника и да има изолация между намотките и има нужда от изолация, за да се справим с високите напрежения, които се генерират по време на извънредни събития, като изключване."

Елиминирането на слоевете изолация, казва Хартуиг, "има предимството, че е система с ниско напрежение. Това значително опростява производствените процеси и графика."

Освен това оставя повече място за други елементи, като повече охлаждане или повече структура за здравина.

Магнитният възел е малко по-малка версия на тези, които ще оформят плазмата с форма на поничка в устройството за синтез SPARC, което сега се изгражда от CFS в Девънс, Масачузетс. Състои се от 16 плочи, наречени палачинки, всяка от които има спираловидно навиване на свръхпроводящата лента от едната страна и охлаждащи канали за газ хелий от другата.

Но дизайнът без изолация се смяташе за рискован и въвеждането му много зависеше от резултатите на тестовата програма.

"Това бе първият магнит в достатъчен мащаб, който наистина изследва какво е включено в проектирането, изграждането и тестването на магнит с тази така наречена технология без изолация и без усукване", разказва Хартвиг. "Бе голяма изненада за общността, когато обявихме, че това е намотка без изолация."

До предела... и отвъд

Първоначалният тест, описан в предишни статии, доказва, че процесът на проектиране и производство не само работи, но е и много стабилен - нещо, в което някои изследователи се съмняваха. Следващите два теста, също извършени в края на 2021 г., изпитват границите на издържливост на устройството до краен предел чрез умишлено създаване на нестабилни условия, включително пълно спиране на входящото захранване, което може да доведе до катастрофално прегряване. Известно като закаляване (Quenching), това се счита за най-лошия сценарий за работа на такива магнити, с потенциал да унищожи оборудването.

Част от мисията на тестовата програма бе да се задейства и умишлено да се претовари пълномащабен магнит, така че, разказва Хартвиг, "да можем да получим критичните данни в правилния мащаб и правилните условия за развитие на науката, за валидиране проектните кодове, а след това да разглобим магнита и да видим какво се е объркало, защо се е объркало и как да предприемем следващата стъпка, за да поправим това. … Бе много успешен тест."

Този финален тест, който завършва с разтопяването на единия ъгъл на една от 16-те палачинки, даде много нова информация, отбелязва Хартвиг. От една страна, са използвани няколко различни изчислителни модела, за да проектират и предскажат представянето на различни аспекти от представянето на магнита, и в по-голямата си част моделите се съгласуват с общите прогнози и са добре валидирани от поредица от тестове и измервания в реалния свят. Но при прогнозирането на ефекта от охлаждането прогнозите на модела се разминават, така че бе необходимо да се получат експерименталните данни, за да се оцени валидността на моделите.

"Моделите ни предвидиха с най-висока точност как ще се стопи магнитът, до каква степен ще се затопли, когато започне да се охлажда, и къде ще бъде полученото увреждане на магнита", обяснява той. Както е описано подробно в един от новите доклади, "Този ​​тест всъщност ни показа точно физиката, която се случва, и ни каза кои модели са полезни занапред и кои да изоставим, защото не са правилни."

Уайт допълва: "По принцип направихме най-лошото възможно нещо с намотките, нарочно, след като бяхме тествали всички други аспекти на работата им. И открихме, че по-голямата част от бобината оцеля без повреди", докато една изолирана зона претърпя известно стопяване. "Само няколко процента от обема на намотката са повредени." И това довежда до ревизии в конструкцията, които се очаква да предотвратят такива щети в производствените магнити на термоядрен синтез, дори при най-екстремни условия.

MIT и CFS комбинират най-мощните аспекти на академична институция и частна компания, подчертава Хартуиг, за да правят неща заедно, които нито една от двете не би могла да направи сама. 

Справка: Special issue on the SPARC Toroidal Field Model Coil Program

Източник: Tests show high-temperature superconducting magnets are ready for fusion, David L. Chandler, Massachusetts Institute of Technology

Как работи токамакът

Електрическо поле, създадено от трансформатор, задвижва ток (големите червени стрелки) през плазмената колона. В резултат на това се образува полоидално магнитно поле, което компресира плазмения поток по такъв начин, че той придобива формата на кръг в разрез (зелените вертикални кръгове). Във вътрешността на корпуса с формата на поничка се създава вакуум, а компресираната по този начин колона предотвратява дезинтеграцията. Другото магнитно поле, което протича по цялото тяло, се нарича тороидално (зелените хоризонтални линии). Комбинацията от тези две полета създава спираловидна триизмерна крива (показана в черно), която може да поддържа плазмата.
Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !