Термоядрен пробив в MIT: все по-близо ли сме до практическото използване на термоядрения синтез?
Американски учени и инженери са постигнали изключително важно постижение в развитието на термоядрената енергетика. В лабораториите на Научния център за плазма и синтез (PSFC) към Масачузетския технологичен институт е тестиран нов тип магнит, изготвен от високотемпературен свръхпроводящ материал, който е постигнал магнитна индукция (известна още и като плътност на магнитния поток) от 20 тесла (T), което се явява световен рекорд в тази област. Това е точно интензитетът, необходим за изграждане на термоядрена електроцентрала, която да произвежда повече енергия, отколкото използва и потенциално да открие ерата на практически неограниченото производство на енергия.
Тестът е бил обявен за успешен, тъй като изпълнил всички критерии, определени за разработването на новата термоядрена установка, наречена SPARC ( за нейното създаване писахме още през 2019 г.), за която магнитите се явяват ключова технология. Експерименталният екип е постигнал зададените параметри, но това далеч не бил краят на процеса. През следващите месеци експертите разглобили и тествали компонентите на магнита, проучили и анализирали данните от стотици инструменти, които записвали детайли от теста, и провели два допълнителни теста на същия магнит, като в крайна сметка го довели до желаното състояние.
Цялата тази работа завършва с подробен отчет на изследователи от PSFC и дъщерната компания на Масачузетския технологичен институт (MIT) Commonwealth Fusion Systems (CFS), публикуван в сборник от шест рецензирани статии в специален брой на списанието IEEE Transactions on Applied Superconductivity. В документите се описва дизайна и производството на магнита, а също така диагностичното оборудване, което е било необходимо за оценка на неговата ефективност, а така също и поуките, извлечени от процеса. Като цяло екипът е констатирал, че прогнозите и компютърните симулации са били точни и потвърждават, че уникалните дизайнерски елементи на магнита могат да послужат като основа за една бъдеща термоядрена електроцентрала.
По пътя към безграничната енергия
Според професора по инженерни науки към Hitachi America Денис Уайт, който наскоро се оттеглил като директор на PSFC, успешният тест на магнита е най-важното постижение за 30 години изследвания на термоядрения синтез. Преди тестовете на новия магнит в PSFC най-добрите достъпни свръхпроводящи магнити са били достатъчно мощни, за да постигнат потенциално енергия от термоядрен синтез, но само при такива размери и цена, които никога не биха могли да бъдат практически или икономически жизнеспособни.
Когато тестовете са показали практичността на силния магнит при значително намален размер, това всъщност е променило потенциалната цена на един ват, получен от термоядрен реактор почти 40 пъти надолу.
„Сега вече термоядреният синтез има шанс“, казва Уайт.
Резултатите от магнитните тестове в PSFC, подробно описани в шестте нови статии, значително увеличават увереността, че перспективите за ново поколение термоядрени устройства, включително тези, разработени от MIT и CFS, имат солидна научна основа. Това подчертава важността на изследванията в областта на термоядрената енергетика за бъдещия технологичен напредък.
Свръхпроводящ пробив
Термоядреният синтез, явяващ се процес на комбиниране на леки атоми в по-тежки, захранва слънцето и звездите, но овладяването на процеса на Земята се оказа предизвикателство, изискващо десетилетия упорита работа и много милиарди долари, изразходвани за различни експериментални устройства. Дълго желана, но и така никога досега достигната цел, бе изграждането на термоядрена електроцентрала, която да произвежда повече енергия, отколкото консумира.
Подобни установки могат да произвеждат енергия, без да отделят парникови газове по време на работа и да генерират пренебрежимо малко радиоактивни отпадъци. Горивото за термоядрения синтез е форма на водород, която може да бъде произведена от морската вода и е практически неограничено.
Но за да работи подобна инсталация, горивото трябва да бъде компресирано при изключително високи температури и налягания и тъй като никой известен материал не може да издържи на такива условия, горивото трябва да се задържи на място от свръхмощни магнитни полета. За да се създадат такива силни токове, са необходими свръхпроводящи магнити, изработени от материали, които изискват свръхниски температури – около четири градуса над абсолютната нула по Келвин или -270 по Целзий.
През последните няколко години към термоядрените магнити беше добавен нов материал, наречен REBCO (редкоземен оксид на барий и мед), който им позволява да работят при температура от 20 K, която, въпреки че е само с 16 K по-висока, предлага значителни предимства по отношение на свойствата на материала и практическия инженеринг. Използването на преимуществата на този нов високотемпературен свръхпроводящ материал не се изчерпвала само със замяната му в съществуващите конструкции на магнитите. Заедно с това, както отбелязва Денис Уайт, са били преработени от нулата почти всички принципи, използвани за създаване на свръхпроводящи устройства.
Ключова иновация
Новият материал REBCO е изключително различен от предишното поколение свръхпроводници. Едно от нововъведенията, което накарало мнозина специалисти в тази област да бъдат скептични относно шансовете му за успех, било премахването на изолацията около тънките, плоски ленти от свръхпроводяща лента, образуващи магнита. Като почти всички електрически проводници, конвенционалните устройства са напълно защитени от изолационен материал, за да се предотврати късо съединение между проводниците. Но в новия магнит лентата е останала напълно оголена, тъй като инженерите разчитали на много по-голямата проводимост на REBCO, за да поддържат тока през материала.
„Когато започнахме този проект през, да речем, 2018 г., технологията за използване на високотемпературни свръхпроводници за създаване на голямомащабни магнити със силно поле беше още в начален стадий“, обяснява Зак Хартуиг, професор в катедрата по ядрена наука и инженерство към MIT.
Хартуиг съвместява позиция в PSFC и е ръководител на инженерната група, която е изпълнявала проекта по разработването на новите магнити. По неговите думи, тогавашното ниво на технологията позволявало единствено провеждането на малки настолни експерименти, които не успявали да уловят всичко необходимо за създаване на пълноценна картина.
„Нашият проект за разработване на магнит започна също в настолен мащаб, но за сравнително кратко време беше напълно завършен“, добавя Хартуиг.
Екипът на PSFC е създал магнит, тежащ 20 000 паунда (малко повече от 9 тона), който генерирал стабилно, равномерно магнитно поле с плътност на магнитния поток малко над 20 Т (тесла), което превъзхожда всяко подобно поле, разработвано някога в голям мащаб. Стандартният начин за създаване на тези магнити се заключава в това, че между намотките на проводника има изолация, за да се контролира високото напрежение.
По думите на Хартуиг липсата на слоеве изолация има такова предимство, подобно на това, което има система с ниско напрежение. Това значително опростява производствените процеси и графици, а също така оставя повече място за други елементи, като например повишено охлаждане или подсилена структура за повишена здравина.
Експерименталният магнитен модул е малко по-малка версия на този, които ще формира тороида на термоядрената установка SPARC, което в момента се изгражда от CFS в Девънс, Масачузетс. Модулът се състои се от 16 плочи, наречени “палачинки”, всяка от които носи от едната страна спирална намотка от свръхпроводяща лента и охлаждащи канали за газообразен хелий от другата. Но конструкция без изолация винаги се е смятала за твърде рискована и затова много зависело от успешността на тестовата програма.
„Това беше първият магнит в достатъчно голям мащаб, който действително даде възможност да се даде оценка за проектирането, производството и тестването на това, което наричаме технология „без изолация и без усукване“, подчертава Зак Хартуиг.
Доведен до краен предел
Първоначалното тестване на проекта на PSFC доказало, че процесът на проектиране и производство не само работи, но бил много стабилен, в което някои изследователи силно се съмнявали. Проведените следващи два теста довели устройството до неговия предел, умишлено създавайки нестабилни условия, включително пълно прекъсване на входящото захранване, което можело да доведе до катастрофално прегряване. Това явление, известно като гасене, се счита за най-лошия сценарий за такива магнити и може да доведе до разрушаване на оборудването.
Според Хартуиг част от мисията на тестовата програма се заключавала в това действително да се стартира и умишлено да се загаси пълномащабен магнит и да се получат важни данни в нужния мащаб, за да се валидират проектните данни. След това екипът се заел да разглоби магнита и да види какво се е объркало и какво да се предприеме при следващата итерация, за да се поправи.
По думите на Хартуиг последният тест, който завършил с топене на ъгъл на една от 16-те палачинки, предоставил много нова информация. Първо, екипът е използвал няколко различни изчислителни модела при проектирането и прогнозирането на характеристиките на различни аспекти на работата на магнита, и в по-голямата си част моделите се съгласували в общите си прогнози и били добре потвърдени от серията тестове и изследвания. Но при прогнозирането на ефекта на гасене, прогнозите на моделите се разминали и затова било необходимо да се получат експериментални данни, за да се оцени валидността на моделите.
„Високопрецизните модели, които създадохме, прогнозираха почти точно как ще се нагрее магнитът, до каква степен ще се нагрее, кога ще започне да изгасва и къде ще възникне повреда в магнита. Този тест всъщност ни разказа точно какво се случва физически и ни показа кои модели ще бъдат полезни в бъдеще и кои да оставим на заден план, защото са неверни.“
Експертът подчертава, че основната причина, поради която екипът е успял да създаде такъв радикално нов дизайн на магнита и да го осъществи правилно от първия път за толкова кратко време, е била високото ниво на знания и опит, натрупани в продължение на десетилетия работа с токамака Alcator C-Mod, в магнитната лаборатория на Френсис Битер и други научни проекти, изпълнени в PSFC.
„Това показва институционалните възможности на подобни места“, добави Хартуиг. „Ние имахме възможности, инфраструктура, пространство и хора, за да направим всичко под един покрив.“
