Under gryningen den 5 september 2021 uppnådde ingenjörer en stor milstolpe i labben vid MIT:s Plasma Science and Fusion Center (PSFC), när en ny typ av magnet, gjord av högtemperatursupraledande material, uppnådde världsrekord magnetfältstyrka på 20 tesla för en storskalig magnet. Det är den intensitet som krävs för att bygga ett fusionskraftverk som förväntas producera en nettoeffekt av kraft och potentiellt inleda en era av praktiskt taget obegränsad kraftproduktion.
Testet förklarades omedelbart som en framgång, efter att ha uppfyllt alla kriterier som fastställts för designen av den nya fusionsenheten, kallad SPARC, för vilken magneterna är nyckeltekniken. Champagnekorkar dök upp när det trötta teamet av försöksledare, som hade arbetat länge och hårt för att göra prestationen möjlig, firade sin prestation.
Men det var långt ifrån slutet på processen. Under de efterföljande månaderna rev teamet isär och inspekterade komponenterna i magneten, granskade och analyserade data från hundratals instrument som registrerade detaljer om testerna, och utförde ytterligare två testkörningar på samma magnet, vilket slutligen tryckte den till dess brytpunkt för att lära sig detaljerna om eventuella fellägen.
Allt detta arbete har nu kulminerat i en detaljerad rapport av forskare vid PSFC och MIT spinout-företaget Commonwealth Fusion Systems (CFS), publicerad i en samling av sex referentgranskade artiklar i en specialutgåva av marsnumret av IEEE Transactions om tillämpad supraledning .
Tillsammans beskriver artiklarna designen och tillverkningen av magneten och den diagnostiska utrustningen som behövs för att utvärdera dess prestanda, såväl som lärdomarna från processen. Sammantaget fann teamet att förutsägelserna och datormodelleringen var perfekt, vilket verifierade att magnetens unika designelement kunde fungera som grunden för ett fusionskraftverk.
Det framgångsrika testet av magneten, säger Hitachi America Professor of Engineering Dennis Whyte, som nyligen avgick som chef för PSFC, var "det viktigaste, enligt min mening, under de senaste 30 åren av fusionsforskning."
Före demonstrationen den 5 september var de bäst tillgängliga supraledande magneterna kraftfulla nog att potentiellt uppnå fusionsenergi – men bara till storlekar och kostnader som aldrig kunde vara praktiska eller ekonomiskt lönsamma. Sedan, när testerna visade det praktiska hos en så stark magnet i en kraftigt reducerad storlek, "över natten, förändrade den i princip kostnaden per watt för en fusionsreaktor med en faktor på nästan 40 på en dag", säger Whyte.
"Nu har fusion en chans", tillägger Whyte. Tokamaks, den mest använda designen för experimentella fusionsenheter, "har en chans, enligt min mening, att vara ekonomisk eftersom du har fått en kvantförändring i din förmåga, med de kända instängningsfysikreglerna, om att avsevärt kunna minska storlek och kostnad för objekt som skulle göra sammansmältning möjlig."
Den omfattande data och analys från PSFC:s magnettest, som beskrivs i de sex nya tidningarna, har visat att planer på en ny generation av fusionsenheter – den som designats av MIT och CFS, såväl som liknande konstruktioner av andra kommersiella fusionsföretag – bygger på en solid grund inom vetenskapen.
Fusion, processen att kombinera lätta atomer för att bilda tyngre, driver solen och stjärnorna, men att utnyttja den processen på jorden har visat sig vara en skrämmande utmaning, med årtionden av hårt arbete och många miljarder dollar spenderade på experimentella enheter.
Det länge eftersträvade, men ännu aldrig uppnådda målet är att bygga ett fusionskraftverk som producerar mer energi än det förbrukar. Ett sådant kraftverk skulle kunna producera el utan att släppa ut växthusgaser under drift och generera väldigt lite radioaktivt avfall. Fusions bränsle, en form av väte som kan härledas från havsvatten, är praktiskt taget obegränsat.
Men för att få det att fungera krävs att bränslet komprimeras vid extraordinärt höga temperaturer och tryck, och eftersom inget känt material tål sådana temperaturer måste bränslet hållas på plats av extremt kraftfulla magnetfält. Att producera så starka fält kräver supraledande magneter, men alla tidigare fusionsmagneter har tillverkats med ett supraledande material som kräver kyliga temperaturer på cirka 4 grader över absolut noll (4 kelvin, eller -270 °C).
Under de senaste åren har ett nyare material med smeknamnet REBCO, för bariumkopparoxid av sällsynta jordartsmetaller, lagts till fusionsmagneter, vilket gör att de kan arbeta vid 20 kelvin, en temperatur som trots att den bara är 16 kelvin varmare, ger betydande fördelar när det gäller av materialegenskaper och praktisk ingenjörskonst.
Att dra nytta av detta nya supraledande material med högre temperatur var inte bara en fråga om att ersätta det i befintliga magnetdesigner. Istället "var det en omarbetning från grunden av nästan alla principer som du använder för att bygga supraledande magneter", säger Whyte. Det nya REBCO-materialet är "extraordinärt annorlunda än den tidigare generationens supraledare. Du kommer inte bara att anpassa och ersätta, du kommer faktiskt att förnya från grunden." De nya artiklarna i IEEE Transactions on Applied Superconductivity beskriv detaljerna i den omdesignprocessen, nu när patentskyddet är på plats.
En viktig innovation:Ingen isolering
En av de dramatiska innovationerna, som hade många andra inom området skeptiska till dess chanser att lyckas, var elimineringen av isoleringen runt de tunna, platta banden av supraledande tejp som bildade magneten. Liksom praktiskt taget alla elektriska ledningar är konventionella supraledande magneter helt skyddade av isolerande material för att förhindra kortslutning mellan ledningarna. Men i den nya magneten lämnades tejpen helt bar; ingenjörerna förlitade sig på REBCOs mycket större konduktivitet för att hålla strömmen flytande genom materialet.
"När vi startade det här projektet, låt oss säga 2018, var tekniken att använda högtemperatursupraledare för att bygga storskaliga högfältsmagneter i sin linda", säger Zach Hartwig, professor i karriärutveckling av Robert N. Noyce vid avdelningen för kärnteknik och kärnteknik. Hartwig har ett medutnämning på PSFC och är chef för dess ingenjörsgrupp, som ledde magnetutvecklingsprojektet.
"State of the art var små bänkexperiment, inte riktigt representativa för vad som krävs för att bygga en sak i full storlek. Vårt magnetutvecklingsprojekt började i bänkskala och slutade i full skala på kort tid", tillägger han , och noterade att teamet byggde en magnet på 20 000 pund som producerade ett jämnt, jämnt magnetfält på drygt 20 tesla – långt bortom något sådant fält som någonsin producerats i stor skala.
"Standardsättet att bygga dessa magneter är att du lindar ledaren och du har isolering mellan lindningarna, och du behöver isolering för att hantera de höga spänningar som genereras under icke-normala händelser som en avstängning." Att eliminera lagren av isolering, säger han, "har fördelen av att vara ett lågspänningssystem. Det förenklar tillverkningsprocesserna och schemat avsevärt." Det ger också mer utrymme för andra element, som mer kylning eller mer struktur för styrka.
Magnetenheten är en något mindre skala version av de som kommer att bilda den munkformade kammaren i SPARC-fusionsenheten som nu byggs av CFS i Devens, Massachusetts. Den består av 16 tallrikar, kallade pannkakor, som var och en har en spirallindning av den supraledande tejpen på ena sidan och kylkanaler för heliumgas på den andra.
Men designen utan isolering ansågs riskabel, och det var mycket som åkte på testprogrammet. "Detta var den första magneten i någon tillräcklig skala som verkligen undersökte vad som är involverat i att designa och bygga och testa en magnet med denna så kallade no-isolation no-twist-teknik", säger Hartwig. "Det var mycket en överraskning för samhället när vi meddelade att det var en spole utan isolering."
Det första testet, som beskrevs i tidigare artiklar, visade att design- och tillverkningsprocessen inte bara fungerade utan var mycket stabil - något som vissa forskare hade tvivlat på. De nästa två testkörningarna, som också utfördes i slutet av 2021, pressade sedan enheten till det yttersta genom att medvetet skapa instabila förhållanden, inklusive en fullständig avstängning av inkommande ström som kan leda till en katastrofal överhettning. Känt som släckning anses detta vara ett värsta scenario för driften av sådana magneter, med potential att förstöra utrustningen.
En del av uppdraget med testprogrammet, säger Hartwig, var "att faktiskt gå iväg och avsiktligt släcka en fullskalig magnet, så att vi kan få kritiska data i rätt skala och de rätta förutsättningarna för att främja vetenskapen, för att validera designkoderna, och sedan för att ta isär magneten och se vad som gick fel, varför blev det fel, och hur tar vi nästa iteration för att fixa det... Det var ett mycket lyckat test."
Det sista testet, som slutade med smältningen av ett hörn av en av de 16 pannkakorna, gav en mängd ny information, säger Hartwig. För det första hade de använt flera olika beräkningsmodeller för att designa och förutsäga prestandan för olika aspekter av magnetens prestanda, och för det mesta stämde modellerna överens i sina övergripande förutsägelser och var väl validerade av serien av tester och verkliga mätningar. Men för att förutsäga effekten av släckningen skiljde sig modellförutsägelserna, så det var nödvändigt att få experimentella data för att utvärdera modellernas giltighet.
"De modeller med högsta kvalitet som vi hade förutspått nästan exakt hur magneten skulle värmas upp, i vilken grad den skulle värmas upp när den började släckas, och var skulle den resulterande skadan på magneten vara", säger han. Som beskrivs i detalj i en av de nya rapporterna, "Det testet berättade faktiskt exakt fysiken som pågick, och det berättade för oss vilka modeller som var användbara framöver och vilka vi ska lämna vid sidan av eftersom de inte är rätt."
Whyte säger:"I grund och botten gjorde vi det värsta möjliga med en spole, med avsikt, efter att vi hade testat alla andra aspekter av spoleprestandan. Och vi fann att det mesta av spiralen överlevde utan skada", medan ett isolerat område fick några smältande. "Det är som några procent av volymen på spolen som skadades." Och det ledde till revisioner i designen som förväntas förhindra sådana skador i själva fusionsenhetens magneter, även under de mest extrema förhållanden.
Hartwig betonar att en viktig anledning till att teamet kunde åstadkomma en så radikal ny rekordmagnetdesign, och få den rätt första gången och på ett halsbrytande schema, var tack vare den djupa kunskapsnivån, expertis och utrustning som samlats. under decennier av drift av Alcator C-Mod tokamak, Francis Bitter Magnet Laboratory och annat arbete som utförts på PSFC. "Detta går till hjärtat av den institutionella förmågan på en plats som denna", säger han. "Vi hade förmågan, infrastrukturen och utrymmet och människorna att göra dessa saker under ett tak."
Samarbetet med CFS var också nyckeln, säger han, med MIT och CFS som kombinerar de mest kraftfulla aspekterna av en akademisk institution och ett privat företag för att göra saker tillsammans som ingen av dem kunde ha gjort på egen hand. "Till exempel var ett av de viktigaste bidragen från CFS att utnyttja kraften hos ett privat företag för att etablera och skala upp en leveranskedja på en aldrig tidigare skådad nivå och tidslinje för det mest kritiska materialet i projektet:300 kilometer (186 miles) hög -temperatursupraledare, som anskaffades med rigorös kvalitetskontroll på mindre än ett år och integrerad enligt schemat i magneten."
Integrationen av de två teamen, de från MIT och de från CFS, var också avgörande för framgången, säger han. "Vi tänkte på oss själva som ett lag, och det gjorde det möjligt att göra det vi gjorde."
Mer information: Paper:Specialnummer om SPARC Toroidal Field Model Coil Program
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
