Efter ett decennium av design och tillverkning, General Atomics är redo att leverera den första modulen av Central Solenoid, världens mest kraftfulla magnet. Det kommer att bli en central komponent i ITER, en maskin som replikerar solens fusionskraft. ITER byggs i södra Frankrike av 35 partnerländer.

ITER:s uppdrag är att bevisa att energi från vätefusion kan skapas och kontrolleras på jorden. Fusionsenergi är kolfri, säkert och ekonomiskt. Materialet för att driva samhället med vätefusion i miljontals år är lätt rikligt.

Trots utmaningarna med Covid-19, ITER är nästan 75 procent byggt. Under de senaste 15 månaderna, massiva förstklassiga komponenter har börjat anlända till Frankrike från tre kontinenter. När de monteras ihop, de kommer att utgöra ITER Tokamak, en "sol på jorden" för att demonstrera fusion i industriell skala.

ITER är ett samarbete mellan 35 partnerländer:Europeiska unionen (plus Storbritannien och Schweiz), Kina, Indien, Japan, Korea, Ryssland och USA. Merparten av ITER:s finansiering är i form av bidragskomponenter. Detta arrangemang driver företag som General Atomics att utöka sin expertis inom den futuristiska teknik som behövs för fusion.

Den centrala solenoiden, den största av ITERs magneter, kommer att bestå av sex moduler. Det är ett av de största av USA:s bidrag till ITER.

Helt monterad, den kommer att vara 18 meter (59 fot) hög och 4,25 meter (14 fot) bred, och kommer att väga tusen ton. Det kommer att inducera en kraftfull ström i ITER-plasman, hjälper till att forma och kontrollera fusionsreaktionen under långa pulser. Det kallas ibland för ITER-maskinens "bankande hjärta".

Hur kraftfull är den centrala solenoiden? Dess magnetiska kraft är tillräckligt stark för att lyfta ett hangarfartyg 2 meter (6 fot) upp i luften. I dess kärna, den kommer att nå en magnetfältstyrka på 13 Tesla, ca 280, 000 gånger starkare än jordens magnetfält. Stödkonstruktionerna för den centrala solenoiden måste motstå krafter som är lika med två gånger dragkraften från en rymdfärja.

Tidigare i år, General Atomics (GA) slutförde den slutliga testningen av den första centrala solenoidmodulen. Den här veckan kommer den att lastas på en speciell tung transportlastbil för frakt till Houston, där den kommer att placeras på ett oceangående fartyg för transport till södra Frankrike.

Den centrala solenoiden kommer att spela en avgörande roll i ITER:s uppdrag att etablera fusionsenergi som en praktisk, säker och outtömlig källa till ren, riklig och kolfri el.

"Detta projekt rankas bland de största, mest komplexa och krävande magnetprogram som någonsin genomförts, säger John Smith, GA:s chef för teknik och projekt. "Jag talar för hela teamet när jag säger att detta är det viktigaste och mest betydelsefulla projektet i våra karriärer. Vi har alla känt ansvaret att arbeta på ett jobb som har potential att förändra världen. Detta är en betydande prestation för GA team och US ITER."

De centrala solenoidmodulerna tillverkas på GA:s Magnet Technologies Center i Poway, Kalifornien, nära San Diego, under ledning av det amerikanska ITER-projektet, förvaltas av Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Fem ytterligare centrala solenoidmoduler, plus en reserv, befinner sig i olika tillverkningsstadier. Modul 2 kommer att skickas i augusti.

Löftet om fusion

Vätefusion är en idealisk metod för att generera energi. Deuteriumbränslet är lättillgängligt i havsvatten, och den enda biprodukten är helium. Som en gas, kol, eller fissionsanläggning, en fusionsanläggning kommer att ge mycket koncentrerad, baslastenergi dygnet runt. Ändå ger fusion inga utsläpp av växthusgaser eller långlivat radioaktivt avfall. Risken för olyckor med en fusionsanläggning är mycket begränsad – om inneslutningen går förlorad, fusionsreaktionen upphör helt enkelt.

Fusionsenergi är närmare än vad många inser. Det skulle kunna tillhandahålla en källa till kolfri el för nätet, spelar en nyckelroll när USA och andra nationer minskar koldioxidutsläppen från sin generationsinfrastruktur. Två nyligen publicerade rapporter från fusionsgemenskapen beskriver hur USA kan ta sig dit.

I december, U.S. Department of Energy Fusion Energy Sciences Advisory Committee släppte en rapport som lägger fram en strategisk plan för forskning om fusionsenergi och plasmavetenskap under det kommande decenniet. Det kräver utveckling och konstruktion av en pilotanläggning för fusion senast 2040.

I februari i år, National Academy of Sciences, Teknik, and Medicine (NASEM) släppte en kompletterande rapport som kräver aggressiva åtgärder för att bygga ett pilotkraftverk. NASEM-rapporten föreslår en design till 2028 och en fusionspilotanläggning i tidslinjen 2035-2040.

"Poängen med att arbeta utifrån den här tidslinjen var att beskriva vad som skulle krävas för att ha en inverkan på övergången till minskade koldioxidutsläpp i mitten av seklet. Många investeringar och väsentliga aktiviteter skulle behöva påbörjas nu för att nå den tidslinjen, " säger Kathy McCarthy, Direktör för US ITER Project Office vid Oak Ridge National Laboratory. "Erfarenheterna vi får från ITER i integrerad, reaktor-skala ingenjörskonst är ovärderlig för att förverkliga en livskraftig, praktisk väg till fusionsenergi."

Utnyttja globala resurser för fusionsforskning

ITER ("Vägen" på latin) är ett av de mest ambitiösa energiprojekt som någonsin försökts. I södra Frankrike, en koalition av 35 nationer samarbetar för att bygga den största och mest kraftfulla tokamak-fusionsenheten. Den experimentella kampanj som ska genomföras vid ITER är avgörande för att bereda vägen för morgondagens fusionskraftverk.

Enligt 2006 års ITER-avtal, alla medlemmar kommer att dela lika på den utvecklade tekniken samtidigt som de bara finansierar en del av den totala kostnaden. USA bidrar med cirka nio procent av ITER:s byggkostnader.

"ITER-projektet är det mest komplexa vetenskapliga samarbetet i historien, " säger Dr Bernard Bigot, Generaldirektör för ITER-organisationen. "Mycket utmanande First-of-a-kind-komponenter tillverkas på tre kontinenter under en nästan 10-årsperiod av ledande företag som General Atomics. Varje komponent representerar ett förstklassigt ingenjörsteam. Utan detta globala deltagande, ITER skulle inte ha varit möjligt. men som en kombinerad ansträngning, varje lag utnyttjar sin investering genom vad de lär sig av de andra."

Både de tekniska insikterna och de vetenskapliga data som genereras av ITER kommer att vara avgörande för USA:s fusionsprogram. Som med de andra medlemmarna, majoriteten av USA:s bidrag är i form av naturatillverkning. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt för medlemsländerna att stödja inhemsk tillverkning, skapa högteknologiska jobb, och utveckla ny kapacitet inom den privata industrin.

"Leverans av den första ITER-centralmagnetmodulen är en spännande milstolpe för demonstrationen av fusionsenergi och också en fantastisk prestation av USA:s kapacitet att bygga mycket stora, högt fält, högenergi supraledande magneter, " säger Dr. Michael Mauel från Columbia University. "GA:s framgång med att bygga, testning, och att leverera högfältssupraledande magneter för fusionsenergi är ett högteknologiskt genombrott för USA och ger förtroende för att realisera fusionskraft i framtiden."

"USA är en viktig medlem av ITER-projektet, som de startade för decennier sedan, Bigot förklarar, "General Atomics, med sin expertis i världsklass inom både komplex tillverkning och exakt kontroll av magnetfält, är ett utmärkt exempel på den anmärkningsvärda expertis som amerikanska forskare och ingenjörer tagit fram till bordet."

ITER kommer att vara den första fusionsenheten som producerar nettoenergi över plasman, vilket innebär att fusionsreaktionen genererar mer termisk energi än den energi som krävs för att värma plasman. ITER kommer också att vara den första fusionsenheten som upprätthåller fusion under långa tidsperioder. ITER kommer att generera 500 megawatt termisk fusionskraft, mer än trettio gånger det nuvarande rekordet på JET-tokamak i Storbritannien.

ITER kommer att ha många funktioner som går långt utöver nuvarande tokamaks. Även om ITER inte kommer att generera elektricitet, det kommer att bli en kritisk testbädd för den integrerade tekniken, material, och fysikregimer som är nödvändiga för kommersiell produktion av fusionsbaserad el. Lärdomarna från ITER kommer att användas för att designa den första generationen kommersiella fusionskraftverk.

"ITER spelar en central roll i amerikansk brinnande plasmaforskning och är nästa kritiska steg i utvecklingen av fusionsenergi, " säger Dr Mauel.

Den centrala solenoiden i sitt sammanhang

Magnet Technologies Center vid General Atomics utvecklades specifikt för tillverkning av den centrala solenoiden - den största och mest kraftfulla pulsade supraledande elektromagneten som någonsin konstruerats - i samarbete med amerikanska ITER.

Att skapa magnetfälten i en tokamak kräver tre olika uppsättningar av magneter. Externa spolar runt tokamak-ringen producerar det toroidformade magnetfältet, begränsar plasman inuti kärlet. De poloidformade spolarna, en staplad uppsättning ringar som kretsar runt tokamak parallellt med dess omkrets, kontrollera plasmans position och form.

I mitten av tokamak, den centrala solenoiden använder en energipuls för att generera en kraftfull toroidström i plasman som strömmar runt torus. Rörelsen av joner med denna ström skapar i sin tur ett andra poloidalt magnetfält som förbättrar plasmans inneslutning, samt att generera värme för fusion. Vid 15 miljoner ampere, ITERs plasmaström kommer att vara mycket kraftfullare än något möjligt i nuvarande tokamaks.

Supraledarmaterialet som används i ITERs magneter tillverkades i nio fabriker i sex länder. De 43 kilometer (26,7 miles) niob-tenn supraledaren för Central Solenoid tillverkades i Japan.

Tillsammans, ITERs magneter skapar en osynlig bur för plasman som anpassar sig exakt till tokamakens metallväggar.

Att göra den centrala solenoiden

Tillverkningen av den första modulen började 2015. Den föregicks av nästan fyra års samarbete med experter på US ITER för att designa processen och verktygen för att tillverka modulerna.

Varje 4,25 meter (14 fot) diameter, 110 ton (250, 000-pund)-modulen kräver mer än två års precisionstillverkning från mer än 5 kilometer (3 miles) stålmantlad supraledande niob-tennkabel. Kabeln är exakt lindad till platt, skiktade "pannkakor" som noggrant måste skarvas ihop.

För att skapa det supraledande materialet inuti modullindningen, modulen måste noggrant värmebehandlas i en stor ugn, som fungerar på samma sätt som en varmluftsugn som finns i många kök. Fördelen med varmluftsugnen är förmågan att förkorta den totala processen samtidigt som modulen bibehåller enhetlig "tillagning". Inne i ugnen, modulen tillbringar cirka tio och en halv dag vid 570°C (1, 060°F) och ytterligare fyra dagar vid 650°C (1200°F). Hela processen tar cirka fem veckor.

Efter värmebehandling, kabeln är isolerad för att säkerställa att elektriska kortslutningar inte uppstår mellan varv och lager. Under svängisolering, modulen måste avfjädras utan att överbelasta ledaren, som nu är stamkänslig på grund av värmebehandling.

För att utföra inslagning, modulens varv sträcks ut som en slinky, låta tejphuvudena linda glasfiber/Kapton-isoleringen runt ledaren. När de enskilda svängarna är slutna, de yttre modulytorna lindas sedan med markisolering. Markisoleringen består av 25 lager glasfiber och kaptonskivor. Markisoleringen måste också passa tätt runt komplexa spolegenskaper, såsom heliuminloppen.

Efter isolering, modulen är innesluten i en form, och 3, 800 liter (1, 000 liter) epoxiharts injiceras under vakuum, för att mätta isoleringsmaterialen och förhindra bubblor eller hålrum. När det härdat vid 650°C (260°F), epoxin smälter samman hela modulen till en enda strukturell enhet.

Den färdiga modulen utsätts för en serie krävande tester, placera den i de extrema förhållanden som den kommer att uppleva under ITER-drift, inklusive nästan fullständigt vakuum och kryogena temperaturer som krävs för att magneten ska bli supraledande (4,5 Kelvin, vilket motsvarar cirka -450°F eller -270°C).

Lärdomar från den första centrala solenoidmodulen har tillämpats på tillverkningen av de efterföljande sex spolarna.

"För de av oss som har ägnat våra karriärer åt fusionsforskning, detta är onekligen ett spännande ögonblick, " sa Dr Tony Taylor, GA:s vice VD för magnetisk fusionsenergi. "När modulen åker för sin resa till Frankrike, vi kommer alla att kunna vara stolta över ett mycket betydelsefullt bidrag på vägen mot fusionsenergi."

Leverans till Frankrike

ITER-konstruktionen omfattar mer än 1 miljon komponenter, tillverkas runt om i världen. Många av dessa komponenter är mycket stora, och Central Solenoid-modulerna är bland de tyngsta. Transportprocessen för de massiva magneterna kräver specialiserade tunga transportfordon. Hela processen för att säkert lasta och säkra modulen på lastbilen, inklusive förberedelser för lyft, kommer att ta ungefär en vecka.

Efter laddning, modulen kommer att skickas till Houston, Texas, där den kommer att placeras på ett fartyg för transport till ITER-platsen. Den första modulen kommer till sjöss i slutet av juli och anländer till Frankrike i slutet av augusti. Marktransport till ITER-platsen kommer att äga rum i början av september.

"Fusion har potential att ge säkra, miljövänlig energi som en realistisk ersättning för fossila bränslen under detta århundrade, " säger Bigot. "Med ett nästan obegränsat globalt utbud av bränsle, den har också potentialen – i komplement med förnybar energi – att förändra energiförsörjningens geopolitik. Jag kan inte tänka mig någon bättre illustration av den transformativa åtgärden än ITER-projektet, där våra amerikanska partners arbetar i nära samarbete med bidragsgivare från Kina, Europa, Indien, Japan, Sydkorea, och Ryssland, som ett enda team dedikerat till att uppnå det gemensamma målet om en ljus framtid med energi."