Сверхпроводящие магниты REBCO и MIT сделают коммерческий ядерный синтез реальным к 2030 году
Подробный отчет исследователей из PSFC и дочернего предприятия Commonwealth Fusion Systems (CFS) Массачусетского технологического института был опубликован в сборнике из шести рецензируемых статей в специальном выпуске мартовского выпуска журнала IEEE Transactions on Applied Superconductivity.
Сверхпроводящие магниты являются важным элементом конструкции термоядерного реактора, поскольку они позволяют концентрировать и сжимать перегретую водородную плазму до давления, необходимого для осуществления самого термоядерного синтеза. Тот факт, что мы можем заставить эти магниты работать при температурах, превышающих температуры, близкие к абсолютному нулю, при которых они обычно работают, является фактором огромной важности, который открывает путь для практического ядерного синтеза.
Вместе документы описывают конструкцию и производство магнита и диагностического оборудования, необходимого для оценки его производительности, а также уроки, извлеченные из этого процесса. В целом команда обнаружила, что прогнозы и компьютерное моделирование оказались верными, подтвердив, что уникальные элементы конструкции магнита могут служить основой для термоядерной электростанции .
Уже 5 сентября 2021 года инженеры в лабораториях Центра науки о плазме и термоядерном синтезе Массачусетского технологического института (PSFC) достигли важной вехи, когда новый тип магнита, изготовленный из высокотемпературного сверхпроводящего материала, достиг напряженности магнитного поля в 20 Тесла. , мировой рекорд для крупногабаритного магнита. Именно такая интенсивность необходима для строительства термоядерной электростанции, которая будет производить чистую энергию и потенциально откроет эру практически неограниченного производства энергии.
Испытание было немедленно объявлено успешным, поскольку оно соответствовало всем критериям, установленным для разработки нового термоядерного устройства под названием SPARC, для которого магниты являются ключевой технологией. Пробки от шампанского лопнули, когда измученная команда экспериментаторов, долго и упорно работавшая над тем, чтобы сделать это достижение возможным, праздновала свое достижение.
Но это был, конечно, не конец судебного процесса. В течение следующих нескольких месяцев команда разбирала и проверяла компоненты магнита, исследовала и анализировала данные сотен приборов, которые записывали детали испытаний, и провела еще два теста на том же магните, наконец доведя его до предела, чтобы узнать подробности каждого из них. возможный режим отказа.
Использование практической термоядерной энергии
Успех магнитного испытания, по словам профессора инженерного дела Hitachi America Денниса Уайта, недавно вышедшего на пенсию с поста директора PSFC, был «самым важным, на мой взгляд, событием за последние 30 лет исследований магнето-термоядерного синтеза» .
До демонстрации в 2021 году лучшие доступные сверхпроводящие магниты были достаточно мощными, чтобы потенциально достичь энергии термоядерного синтеза, но только при таких размерах и затратах, которые никогда не могли быть практически или экономически жизнеспособными. Затем, когда испытания продемонстрировали возможность создания такого сильного магнита при значительно уменьшенном размере, стоимость производства одного ватта ядерного синтеза сократилась в 40 раз. То, что было экономическим кошмаром, стало мечтой.
Всесторонние данные и анализ магнитного испытания PSFC, как показано в шести новых статьях, показали, что планы по созданию термоядерных устройств нового поколения – разработанных MIT и CFS, а также аналогичных разработок других коммерческих термоядерных компаний – являются построено на прочном научном фундаменте.
Сверхпроводящий прорыв
Термоядерный синтез, процесс объединения легких атомов в более тяжелые атомы, питает Солнце и звезды, но использование этого процесса на Земле оказалось сложной задачей, требующей десятилетий напряженной работы и многих миллиардов долларов, потраченных на экспериментальные устройства. Долгожданная, но так и не достигнутая цель — построить термоядерную электростанцию, которая будет производить больше энергии, чем потребляет. Такая электростанция могла бы производить электроэнергию, не выделяя при работе парниковых газов и производя очень мало радиоактивных отходов. Термоядерное топливо, форма водорода, которую можно получить из морской воды, практически безгранично.
К сожалению, чтобы заставить его работать, необходимо сжать топливо до чрезвычайно высоких температур и давлений, а поскольку ни один известный материал не может выдержать такие температуры, топливо должно удерживаться на месте чрезвычайно мощными магнитными полями. Для создания таких сильных полей необходимы сверхпроводящие магниты, но все предыдущие термоядерные магниты были сделаны из сверхпроводящего материала, который требует температуры замерзания примерно на 4 градуса выше абсолютного нуля (4 Кельвина, или -270 градусов Цельсия).
В последние годы к плавильным магнитам был добавлен новый материал под названием REBCO (редкоземельный оксид бария и меди), что позволяет им работать при температуре 20 К, температуре, которая, несмотря на то, что она выше 16 К, дает значительные преимущества с точки зрения материала. свойства и практическая инженерия.
Чтобы воспользоваться преимуществами этого нового высокотемпературного сверхпроводящего материала, недостаточно заменить существующие конструкции магнитов. Вместо этого «это была переработка с нуля почти всех принципов, которые используются для создания сверхпроводящих магнитов», — сказал Уайт. Новый материал REBCO «разительно отличается от сверхпроводников предыдущего поколения. Речь идет не только об адаптации и замене, но и об инновациях с нуля». Новые статьи, опубликованные в журнале «Транзакции по прикладной сверхпроводимости», описывают детали этого процесса модернизации теперь, когда вступила в силу патентная защита.
Сферический токамак, который может значительно выиграть от новых сверхпроводящих магнитов
Ключевое нововведение: отсутствие изоляции
Одним из главных нововведений, которое заставило многих других представителей отрасли скептически относиться к шансам на успех, было устранение изоляции вокруг тонких плоских лент сверхпроводящей ленты, образующих магнит. Как практически все электрические провода, обычные сверхпроводящие магниты полностью защищены изоляционным материалом для предотвращения коротких замыканий между проводами. Однако в новом магните лента осталась совершенно открытой; инженеры полагались на повышенную проводимость REBCO для поддержания тока через материал. Электричество протекает через ленты REBCO из-за меньшего сопротивления, поэтому нет необходимости изолировать ленты REBCO друг от друга.
Тот факт, что можно избежать слоев изоляции, означает, что обычную конструкцию магнитов, полученную путем чередования слоев проводящего и изолирующего материала, можно невероятно упростить и облегчить, получив гораздо более мощные магниты с гораздо меньшим весом. Однако это новая и потенциально опасная процедура, которую необходимо тщательно протестировать.
Набор магнитов представляет собой слегка уменьшенную версию тех, которые будут формировать пончиковую камеру термоядерного устройства SPARC, которое в настоящее время строится в CFS в Девенсе, штат Массачусетс. Он состоит из 16 пластин, называемых блинами, каждая из которых имеет спиральную намотку из сверхпроводящей ленты с одной стороны и каналы охлаждения для газообразного гелия — с другой.
Доведите себя до предела… и даже больше
Первоначальный тест, описанный в предыдущих статьях, показал, что процесс проектирования и производства не только работал, но и был очень стабильным, в чем некоторые исследователи сомневались. Следующие два теста, также проведенные в конце 2021 года, довели устройство до предела, намеренно создавая нестабильные условия, включая полное отключение поступающего питания, что может привести к катастрофическому перегреву. Этот сценарий, известный как гашение, считается наихудшим сценарием работы этих магнитов, который может привести к разрушению оборудования.
Даже во время этого испытания, которое включало имитацию плавления одного из 16 магнитов, составляющих всю катушку, магниту удалось продолжать работать одинаково, и прерывание не привело к взрыву всей катушки, поддерживая повреждение на контролируемом уровне. и ограниченный уровень.
Этот тест был чрезвычайно важен, поскольку он дает уверенность в том, что травматические события не могут произойти даже в случае аномалий в одной из различных лент REBCO. Реализация этих экспериментов делает реалистичными претензии Массачусетского технологического института на создание коммерческой экспериментальной установки для ядерного синтеза к 2030 году.
Благодаря нашему Telegram-каналу вы можете быть в курсе публикации новых статей «Экономические сценарии».
Статья REBCO и MIT «Сверхпроводящие магниты сделают коммерческий ядерный синтез реальным к 2030 году» взята из «Экономических сценариев» .
Это автоматический перевод публикации, опубликованной в журнале Scenari Economici по адресу https://scenarieconomici.it/i-magneti-superconduttori-rebco-el-mit-rendono-realistica-la-fusione-nucleare-commerciale-entro-il-2030/ в Wed, 06 Mar 2024 10:00:40 +0000.