Det var ett ögonblick tre år på gång, baserat på intensivt forsknings- och designarbete:Den 5 september, för första gången, en stor högtemperatur superledande elektromagnet rampades upp till en fältstyrka på 20 tesla, det mest kraftfulla magnetfältet i sitt slag som någonsin skapats på jorden. Den lyckade demonstrationen hjälper till att lösa den största osäkerheten i strävan att bygga världens första fusionskraftverk som kan producera mer kraft än det förbrukar, enligt projektets ledare vid MIT och startföretaget Commonwealth Fusion Systems (CFS).

Det förskottet banar väg, de säger, för det efterlängtade skapandet av praktiska, billig, kolfria kraftverk som skulle kunna göra ett stort bidrag till att begränsa effekterna av globala klimatförändringar.

"Fusion på många sätt är den ultimata rena energikällan, säger Maria Zuber, MIT:s vice ordförande för forskning och E. A. Griswold professor i geofysik. "Mängden makt som är tillgänglig förändrar verkligen spelet." Bränslet som används för att skapa fusionsenergi kommer från vatten, och "Jorden är full av vatten - det är en nästan obegränsad resurs. Vi måste bara ta reda på hur vi ska använda den."

Att utveckla den nya magneten ses som det största tekniska hindret för att få det att hända; dess framgångsrika verksamhet öppnar nu dörren för att demonstrera fusion i ett laboratorium på jorden, som har bedrivits i decennier med begränsade framsteg. Med magnettekniken som nu framgångsrikt visats, MIT-CFS-samarbetet är på väg att bygga världens första fusionsenhet som kan skapa och begränsa en plasma som producerar mer energi än den förbrukar. Den demonstrationsanordningen, kallas SPARC, är avsedd att stå klar år 2025.

"Utmaningarna med att få fusionen att ske är både tekniska och vetenskapliga, "säger Dennis Whyte, chef för MIT:s Plasma Science and Fusion Center, som arbetar med CFS för att utveckla SPARC. Men när tekniken väl har bevisats, han säger, "det är en outtömlig, kolfri energikälla som du kan använda var som helst och när som helst. Det är verkligen en helt ny energikälla. "

Whyte, som är Hitachi America professor i teknik, säger att veckans demonstration representerar en stor milstolpe, hantera de största frågorna som återstår om genomförbarheten av SPARC -designen. "Det är verkligen en vattendelare, Jag tror, inom fusionsvetenskap och teknik, " han säger.

Solen i en flaska

Fusion är processen som driver solen:sammanslagningen av två små atomer till en större, släpper ut enorma mängder energi. Men processen kräver temperaturer långt bortom vad något fast material kan tåla. För att fånga solens energikälla här på jorden, vad som behövs är ett sätt att fånga och innehålla något som hett - 100, 000, 000 grader eller mer - genom att avbryta den på ett sätt som förhindrar att den kommer i kontakt med något fast.

Det görs genom intensiva magnetfält, som bildar en slags osynlig flaska för att innehålla den heta virvlande soppan av protoner och elektroner, kallas plasma. Eftersom partiklarna har en elektrisk laddning, de styrs starkt av magnetfälten, och den mest använda konfigurationen för att innehålla dem är en munkformad enhet som kallas en tokamak. De flesta av dessa enheter har producerat sina magnetfält med konventionella elektromagneter av koppar, men den senaste och största versionen under uppbyggnad i Frankrike, kallas ITER, använder så kallade lågtemperatur supraledare.

Den största innovationen i MIT-CFS-fusionsdesignen är användningen av högtemperatur superledare, som möjliggör ett mycket starkare magnetfält i ett mindre utrymme. Denna design möjliggjordes av en ny typ av supraledande material som blev kommersiellt tillgängligt för några år sedan. Idén uppstod ursprungligen som ett klassprojekt i en kärnteknisk klass undervisad av Whyte. Idén verkade så lovande att den fortsatte att utvecklas under de nästa iterationerna av den klassen, som leder till ARC -kraftverkets designkoncept i början av 2015. SPARC, utformad för att vara ungefär hälften av ARC:s storlek, är en testbädd för att bevisa konceptet före konstruktionen av fullstorleken, kraftproducerande anläggning.

Tills nu, det enda sättet att uppnå de kolossalt kraftfulla magnetfält som behövs för att skapa en magnetisk "flaska" som kan innehålla plasma uppvärmd till hundratals miljoner grader var att göra dem större och större. Men det nya högtemperatur-superledarmaterialet, gjord i form av en lägenhet, bandliknande tejp, gör det möjligt att uppnå ett högre magnetfält i en mindre enhet, vilket motsvarar prestandan som skulle uppnås i en apparat 40 gånger större i volym med konventionella lågtemperatur-superledande magneter. Det språnget i kraft kontra storlek är nyckelelementet i ARC:s revolutionerande design.

Användningen av de nya högtemperaturledande magneterna gör det möjligt att tillämpa årtionden av experimentell kunskap som erhållits från driften av tokamak-experiment, inklusive MIT:s egen Alcator -serie. Det nya tillvägagångssättet använder en välkänd design men skalar ner allt till ungefär hälften av den linjära storleken och uppnår fortfarande samma driftsförhållanden på grund av det högre magnetfältet.

En serie vetenskapliga artiklar som publicerades förra året beskrev den fysiska grunden och, genom simulering, bekräftade livskraften för den nya fusionsenheten. Tidningarna visade att om magneterna fungerade som förväntat, hela fusionssystemet bör verkligen producera nettoeffekt, för första gången på flera decennier av fusionsforskning.

Martin Greenwald, biträdande direktör och senior forskare vid PSFC, säger till skillnad från vissa andra mönster för fusionsexperiment, "nischen som vi fyllde var att använda konventionell plasmafysik, och konventionella tokamakdesigner och konstruktion, men ta med den här nya magnettekniken. Så, vi krävde inte innovation på ett halvt dussin olika områden. Vi skulle bara förnya på magneten, och sedan tillämpa kunskapsbasen för vad som har lärt sig under de senaste decennierna. "

Den kombinationen av vetenskapligt etablerade designprinciper och spelförändrande magnetfältstyrka är det som gör det möjligt att uppnå en anläggning som kan vara ekonomiskt livskraftig och utvecklad på en snabb väg. "Det är ett stort ögonblick, säger Bob Mumgaard, VD för CFS. "Vi har nu en plattform som både vetenskapligt är mycket väl avancerad, på grund av årtionden av forskning om dessa maskiner, och även kommersiellt mycket intressant. Vad det gör är att vi kan bygga enheter snabbare, mindre, och till mindre kostnad, "säger han om den lyckade magnetdemonstrationen.

Bevis på konceptet

Att förverkliga det nya magnetkonceptet krävde tre års intensivt arbete med design, etablera leveranskedjor, och utarbeta tillverkningsmetoder för magneter som så småningom kan behöva produceras av tusentals.

"Vi byggde en första i sitt slag, supraledande magnet. Det krävdes mycket arbete för att skapa unika tillverkningsprocesser och utrustning. Som ett resultat, vi är nu väl förberedda på att öka för SPARC-produktion, "säger Joy Dunn, verksamhetschef på CFS. "Vi började med en fysikmodell och en CAD -design, och arbetade igenom massor av utveckling och prototyper för att förvandla en design på papper till denna faktiska fysiska magnet. "Det innebar att bygga tillverkningskapacitet och testanläggningar, inklusive en iterativ process med flera leverantörer av supraledande tejp, för att hjälpa dem att nå förmågan att producera material som uppfyller de nödvändiga specifikationerna - och för vilka CFS nu överväldigande är världens största användare.

De arbetade med två möjliga magnetdesigner parallellt, som båda slutade uppfylla designkraven, hon säger. "Det kom verkligen ner till vilken man skulle revolutionera hur vi tillverkar supraledande magneter, och vilken var lättare att bygga. "Designen som de antog tydligt utmärkte sig i det avseendet, hon säger.

I detta test, den nya magneten drevs gradvis upp i en serie steg tills man nådde målet om ett 20 tesla magnetfält-den högsta fältstyrkan någonsin för en högtemperatur supraledande fusionsmagnet. Magneten består av 16 plattor staplade ihop, var och en i sig skulle vara den mest kraftfulla högtemperaturledande magneten i världen.

"För tre år sedan tillkännagav vi en plan, säger Mumgaard, "för att bygga en 20-tesla magnet, vilket är vad vi kommer att behöva för framtida fusionsmaskiner. "Det målet har nu uppnåtts, precis enligt schemat, även med pandemin, han säger.

Med hänvisning till serien fysikpapper som publicerades förra året, Brandon Sorbom, vetenskapschefen vid CFS, säger "i princip drar slutsatsen att om vi bygger magneten, all fysik fungerar i SPARC. Så, denna demonstration besvarar frågan:Kan de bygga magneten? Det är en mycket spännande tid! Det är en enorm milstolpe. "

Nästa steg är att bygga SPARC, en mindre version av det planerade ARC-kraftverket. Den framgångsrika driften av SPARC kommer att visa att ett kommersiellt fusionskraftverk i full skala är praktiskt, rensa vägen för snabb design och konstruktion av den banbrytande enheten kan sedan fortsätta full fart.

Zuber säger att "Jag är nu verkligen optimistisk att SPARC kan uppnå positiv nettoenergi, baserat på magneternas demonstrerade prestanda. Nästa steg är att skala upp, att bygga ett verkligt kraftverk. Det är fortfarande många utmaningar framöver, inte minst utvecklar en design som möjliggör pålitlig, ihållande drift. Och inser att målet här är kommersialisering, en annan stor utmaning blir ekonomisk. Hur designar du dessa kraftverk så att det blir kostnadseffektivt att bygga och distribuera dem? "

En dag i en förhoppad framtid, när det kan finnas tusentals fusionsanläggningar som driver rena elnät runt om i världen, Zuber säger, "Jag tror att vi kommer att se tillbaka och tänka på hur vi kom dit, och jag tror att demonstrationen av magnettekniken, för mig, är den tid då jag trodde det, Wow, vi kan verkligen göra det här. "

Det framgångsrika skapandet av en kraftproducerande fusionsenhet skulle vara en enorm vetenskaplig bedrift, Zuber noterar. Men det är inte huvudpoängen. "Ingen av oss försöker vinna troféer just nu. Vi försöker hålla planeten levande."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.