Forskare har länge försökt utnyttja fusion som en outtömlig och kolfri energikälla. Under de senaste åren, banbrytande högtemperatursupraledareteknik (HTS) utlöste en ny vision för att uppnå praktisk fusionsenergi. Detta tillvägagångssätt, känd som högfältsvägen till fusion, syftar till att generera fusion i kompakta enheter på en kortare tidsskala och lägre kostnad än alternativa tillvägagångssätt.

En viktig teknisk utmaning för att förverkliga denna vision, fastän, har fått HTS supraledare att fungera på ett integrerat sätt i utvecklingen av nya, högpresterande supraledande magneter, som kommer att möjliggöra högre magnetfält än tidigare generationer av magneter, och är centrala för att begränsa och kontrollera plasmareaktioner.

Nu är ett team ledd av MIT:s Plasma Science and Fusion Center (PSFC) och MIT spinout-företaget Commonwealth Fusion Systems (CFS), har utvecklat och utförligt testat en HTS-kabelteknik som kan skalas och konstrueras till högpresterande magneter. Teamets forskning publicerades den 7 oktober i Supraledare vetenskap och teknik . Forskare inkluderade MIT biträdande professor och huvudforskare Zachary Hartwig; PSFCs biträdande teknikchef Rui F. Vieira och annan nyckelpersonal inom PSFC:s tekniska och tekniska personal; CFS Chief Science Officer Brandon Sorbom Ph.D. '17 och andra CFS-ingenjörer; och forskare vid CERN i Genève, Schweiz, och vid Robinson Research Institute vid Victoria University of Wellington, Nya Zeeland.

Denna utveckling följer ett nyligen uppsving för högfältsvägen, när 47 forskare från 12 institutioner publicerade sju artiklar i Journal of Plasma Physics, som visar att en högfältsfusionsanordning, kallas SPARC, byggda med sådana magneter skulle producera nettoenergi – mer energi än den förbrukar – något som aldrig tidigare visats.

"Kabeltekniken för SPARC är en viktig pusselbit när vi arbetar för att påskynda tidslinjen för att uppnå fusionsenergi, säger Hartwig, biträdande professor i kärnkraftsvetenskap och teknik, och ledare för forskargruppen vid PSFC. "Om vi ​​är framgångsrika i det vi gör och i andra tekniker, fusionsenergi kommer att börja göra skillnad för att mildra klimatförändringarna – inte om 100 år, men om 10 år."

En superkabel

Den innovativa tekniken som beskrivs i artikeln är en supraledande kabel som leder elektricitet utan motstånd eller värmealstring och som inte bryts ned under extrem mekanisk, elektrisk, och termiska förhållanden. Märkesmärkt VIPER (en akronym som står för Vacuum Pressure Impregnated, Isolerad, Delvis omsatt, Extruderad, och rullformad), den består av kommersiellt tillverkade tunna stålband belagda med HTS-förening – yttrium-barium-koppar-oxid – som är förpackade i en sammansättning av koppar- och stålkomponenter för att bilda kabeln. Kryogent kylmedel, som superkritiskt helium, kan flyta lätt genom kabeln för att ta bort värme och hålla kabeln kall även under utmanande förhållanden.

"Ett av våra framsteg var att hitta ett sätt att löda HTS-tejpen inuti kabeln, gör det effektivt till en monolitisk struktur där allt är termiskt kopplat, " säger Sorbom. Men VIPER kan också formas till vändningar, använda fogar för att skapa "nästan alla typer av geometri, ", tillägger han. Detta gör kabeln till ett idealiskt byggmaterial för lindning till spolar som kan generera och innehålla magnetiska fält av enorm styrka, såsom de som krävs för att göra fusionsanordningar väsentligt mindre än vad som för närvarande föreställs nätenergifusionsanordningar.

Spänstig och robust

"Det viktigaste vi kan göra med VIPER-kabel är att göra ett magnetfält två till tre gånger starkare i den storlek som krävs än den nuvarande generationen av supraledande magnetteknologi, " säger Hartwig. Storleken på magnetfältet i tokamaks spelar en stark olinjär roll för att bestämma plasmaprestanda. Till exempel, fusionskraftdensiteten skalas som magnetfält till fjärde potensen:Fördubbling av fältet ökar fusionskraften med 16 gånger eller, omvänt, samma fusionsutgångseffekt kan uppnås i en enhet som är 16 gånger mindre i volym.

"I utvecklingen av högfältsmagneter för fusion, HTS-kablar är en viktig ingrediens, och de har varit försvunna, " säger Søren Prestemon, chef för U.S. Magnet Development Program vid Lawrence Berkeley National Laboratory, som inte var involverad i denna forskning. "VIPER är ett genombrott inom området för kabelarkitektur - utan tvekan den första kandidaten som har visat sig vara livskraftig för fusion - och kommer att möjliggöra det kritiska steget framåt mot demonstration i en fusionsreaktor."

VIPER-tekniken presenterar också ett kraftfullt tillvägagångssätt för ett särskilt problem i det supraledande magnetfältet, kallas en släckning, "det har skrämt ingenjörer sedan de började bygga supraledande magneter, " säger Hartwig. En släckning är en drastisk temperaturökning som uppstår när de kalla kablarna inte längre kan leda elektrisk ström utan något motstånd. När släckningen inträffar, istället för att generera nästan noll värme i supraledande tillstånd, den elektriska strömmen genererar avsevärd resistiv värme i kabeln.

"Den snabba temperaturökningen kan göra att magneten potentiellt skadar eller förstör sig själv om den elektriska strömmen inte stängs av, " säger Hartwig. "Vi vill undvika den här situationen eller, om inte, åtminstone veta om det så snabbt och säkert som möjligt."

Teamet inkorporerade två typer av temperaturavkännande fiberoptisk teknologi utvecklad av medarbetare vid CERN och Robinson Research Institute. Fibrerna uppvisade - för första gången på fullskaliga HTS-kablar och under representativa förhållanden för fusionsmagneter med högt magnetiskt fält - känslig och höghastighetsdetektering av temperaturförändringar längs kabeln för att övervaka början av härdning.

Ett annat nyckelresultat var det framgångsrika införlivandet av lätttillverkade, lågt elektriskt motstånd, och mekaniskt robusta skarvar mellan VIPER-kablar. Supraledande leder är ofta komplexa, utmanande att göra, och mer sannolikt att misslyckas än andra delar av en magnet; VIPER utformades för att eliminera dessa problem. VIPER-lederna har den ytterligare fördelen att de är demonterbara, vilket innebär att de kan tas isär och återanvändas utan inverkan på prestandan.

Prestemon noterar att kabelns innovativa arkitektur direkt påverkar verkliga utmaningar i driften av framtidens fusionsreaktorer. "I en verklig kommersiell fusionsenergiproducerande anläggning, intensiv värme och strålning djupt inne i reaktorn kommer att kräva rutinmässiga komponentbyten, ", säger han. "Att kunna ta isär dessa fogar och sätta ihop dem igen är ett viktigt steg mot att göra fusion till ett kostnadseffektivt förslag."

De 12 VIPER-kablarna som Hartwigs team byggde, löper mellan en och 12 meter lång, utvärderades med böjtester, tusentals plötsliga "på-av" mekaniska cykler, flera kryogena termiska cykler, och dussintals släckningsliknande händelser för att simulera den typ av bestraffande förhållanden som möter i magneterna på en fusionsanordning. Gruppen genomförde framgångsrikt fyra flerveckorstestkampanjer på fyra månader på SULTAN-anläggningen, ett ledande centrum för utvärdering av supraledande kabel som drivs av Swiss Plasma Center, knuten till Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz.

"Denna oöverträffade takt av HTS-kabeltestning vid SULTAN visar den hastighet som tekniken kan utvecklas av ett enastående team med tankesättet att gå snabbt, viljan att ta risker, och resurserna att utföra, " säger Hartwig. Det är en känsla som fungerar som grunden för SPARC-projektet.

SPARC-teamet fortsätter att förbättra VIPER-kabeln och går vidare till nästa projektmilstolpe i mitten av 2021:"Vi kommer att bygga en flertonsmodellspole som kommer att likna storleken på en fullskalig magnet för SPARC, " säger Sorbom. Dessa forskningsaktiviteter kommer att fortsätta att främja de grundläggande magnetteknologierna för SPARC och möjliggöra demonstration av nettoenergi från fusion, en nyckelprestation som signalerar fusion är en livskraftig energiteknik. "Det kommer att bli en vattendelare för fusionsenergi, säger Hartwig.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.