Термоядерный прорыв: как ученые создали электростанцию с безграничным производством энергии

Американские инженеры достигли важной точки в лабораториях Центра науки о плазме и термоядерном синтезе Массачусетского технологического института (PSFC), когда новый тип магнита, изготовленный из высокотемпературного сверхпроводящего материала, достиг мирового рекорда по магнитным полям. Напряженность поля для крупногабаритного магнита достигла 20 Тесла (Тл). Именно такая интенсивность необходима для строительства термоядерной электростанции, которая, как ожидается, будет производить чистую мощность и потенциально откроет эру практически безграничного производства энергии, пишет Inc. Russia.
Испытание было объявлено успешным, поскольку оно соответствовало всем критериям, установленным для разработки нового термоядерного устройства, получившего название SPARC, для которого магниты являются ключевой технологией. Команда экспериментаторов достигла результатов после долгих и упорных трудов, но это было далеко не завершение процесса.
В последующие месяцы специалисты разобрали и проверили компоненты магнита, тщательно изучили и проанализировали данные сотен инструментов, которые записывали детали испытаний, а также провели два дополнительных испытания того же магнита, в конечном итоге доведя его до нужного состояния.
Кульминацией всей этой работы стал подробный отчет исследователей из PSFC и дочерней компании MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS), опубликованный в сборнике из шести рецензируемых статей в специальном выпуске журнала IEEE Transactions on Applied Superconductivity. В документах описывается конструкция и изготовление 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 точными и подтвердили, что уникальные элементы конструкции магнита могут служить основой для термоядерной электростанции.
Энергия в массы По словам профессора инженерных наук Hitachi America Денниса Уайта, который недавно ушел с поста директора PSFC, успешное испытание магнита было самым важным событием за последние 30 лет исследований в области термоядерного синтеза. До демонстрации 5 сентября лучшие из доступных сверхпроводящих магнитов 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.
Наиболее широко используемые конструкции экспериментальных термоядерных устройств, по мнению профессора, имеют шанс быть экономичными, потому что у них есть квантовое изменение способностей с известными правилами физики удержания, позволяющее значительно уменьшить размер и стоимость объектов, которые сделают возможным синтез. Когда испытания показали практичность сильного магнита при значительно уменьшенном размере, это фактически изменило стоимость ватта термоядерного реактора почти в 40 раз за один день. "Теперь у термоядерного синтеза появился шанс", — отмечает Уайт.
Результаты магнитных испытаний PSFC, подробно описанные в шести новых статьях, значительно укрепляют уверенность в том, что перспективы создания нового поколения термоядерных устройств, включая разработки MIT и CFS, обладают прочным научным обоснованием. Это подчеркивает важность исследований в области термоядерной энергетики для будущих технологических достижений.
Сверхпроводящий прорыв Синтез, процесс объединения легких атомов в более тяжелые, 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. Давно желаемая, но так и не достигнутая цель — построить термоядерную электростанцию, которая будет производить больше энергии, чем потребляет.
Такой комплекс оборудования мог бы производить ресурс, не выделяя парниковых газов во время работы и производя очень мало радиоактивных отходов. Топливо для термоядерного синтеза — форма водорода, которую можно получить из морской воды, — практически безгранично.
Но чтобы это заработало, необходимо сжимать топливо при чрезвычайно высоких температурах и давлении, а поскольку ни один известный материал не может выдержать таких условий, топливо должно удерживаться на месте чрезвычайно мощными магнитными полями. Для создания таких сильных потоков требуются сверхпроводящие магниты, в то время как все предыдущие были изготовлены из материала, который требует холодных температур — около четырех градусов выше абсолютного нуля по Кельвину, или -270 по Цельсию.
За последние несколько лет к термоядерным магнитам был добавлен новый материал под названием REBCO (редкоземельный оксид бария и меди), который позволяет им работать при температуре 20 К, которая, несмотря на то что всего на 16 К выше, дает значительные преимущества с точки зрения свойств материалов и практической инженерии. Использование преимуществ этого нового высокотемпературного сверхпроводящего материала заключалось не только в замене его в существующих конструкциях магнитов. Вместо этого, как отметил Деннис Уайт, была переработка с нуля почти всех принципов, которые используются для создания сверхпроводящих устройств.
Ключевая инновация Новый материал REBCO чрезвычайно отличается от предыдущего поколения сверхпроводников. Одним из нововведений, заставивших многих специалистов в этой области скептически относиться к его шансам на успех, было устранение изоляции вокруг тонких плоских лент сверхпроводящей ленты, образующих магнит. Как практически все электрические провода, обычные устройства полностью защищены изоляционным материалом для предотвращения коротких замыканий между проводами. Но в новом магните лента осталась совершенно голой; инженеры полагались на гораздо большую проводимость REBCO, чтобы поддерживать ток через материал.
"Когда мы начали этот проект, скажем, в 2018 году, технология использования высокотемпературных сверхпроводников для создания крупномасштабных магнитов с сильным полем находилась в зачаточном состоянии, — говорит Зак Хартвиг, профессор по развитию карьеры Роберта Н. Нойса на кафедре ядерной науки и техники.
Хартвиг ​​имеет совместную должность в PSFC и является главой ее инженерной группы, которая руководила проектом разработки магнита. По его словам, современное состояние техники представляло собой небольшие настольные эксперименты, которые не совсем отражали то, что нужно для создания полноразмерной картины. "Наш проект по разработке магнита начался в настольном масштабе и за короткое время завершился в полном объеме", — добавил специалист.
Команда PSFC создала магнит массой 20 тыс. фунтов, который создавал устойчивое, равномерное магнитное поле силой чуть более 20 Тл, что превосходит любую подобную область, когда-либо разрабатываемую в больших масштабах. Стандартный способ создания этих магнитов заключается в том, что между обмотками проводника существует изоляция для контроля высокого напряжения.
По словам Хартвига, отсутствие слоев изоляции имеет такое преимущество, как система низкого напряжения. Это значительно упрощает производственные процессы и график, а также оставляет больше места для других элементов, таких как усиление охлаждения или усиление структуры для повышения прочности.
Магнитный узел представляет собой немного уменьшенную версию тех, которые будут формировать пончиковую камеру термоядерного устройства SPARC, которое сейчас строит компания CFS в Девенсе, штат Массачусетс. Он состоит из 16 пластин, называемых "блинами", каждая из которых несет на одной стороне спиральную намотку сверхпроводящей ленты, а на другой — каналы охлаждения для газообразного гелия. Но конструкция без изоляции считалась рискованной и от программы испытаний зависело многое.
"Это был первый магнит достаточного масштаба, который действительно исследовал то, что включает в себя проектирование, изготовление и тестирование с помощью так называемой технологии „без изоляции и скручивания", — подчеркивает Зак Хартвиг.
Доведение до предела Первоначальные испытания проекта PSFC доказали, что процесс проектирования и производства не только работал, но и был очень стабильным, в чем сомневались некоторые исследователи. Следующие два тестовых запуска, также проведенные в конце 2021 года, довели устройство до предела, намеренно создавая нестабильные условия, в том числе полное отключение поступающего питания, что может привести к катастрофическому перегреву. Это явление, известное как гашение, считается наихудшим сценарием работы таких магнитов, который может привести к разрушению оборудования.
Часть миссии программы испытаний, по словам Хартвига, заключалась в том, чтобы на самом деле запустить и намеренно погасить полномасштабный магнит и получить важные данные в нужном масштабе, в правильных условиях для развития науки и подтверждения достоверности данных проектирования. Затем команда была намерена разобрать магнит и посмотреть, что пошло не так и как предпринять следующую итерацию, чтобы это исправить.
По словам Хартвига, последнее испытание, закончившееся расплавлением угла одного из 16 блинов, дало массу новой информации. Во-первых, они использовали несколько различных вычислительных моделей для проектирования и прогнозирования характеристик различных аспектов работы магнита, и по большей части модели согласовывались в своих общих предсказаниях и были хорошо подтверждены серией тестов и исследований. Но при предсказании эффекта гашения предсказания модели разошлись, поэтому необходимо было получить экспериментальные данные, чтобы оценить достоверность моделей.
"Модели с высочайшей точностью, которые мы создавали, почти точно предсказали, как магнит будет нагреваться, до какой степени он будет нагреваться, когда начнет гасить и где будут возникающие в результате повреждения магнита. Этот тест фактически рассказал нам о том, что именно происходит в физике, и сказал нам, какие модели будут полезны в будущем, а какие убрать на второй план, потому что они неверны".
Эксперт ​​подчеркивает, что основная причина, по которой команде удалось создать столь радикально новую рекордную конструкцию магнита и сделать ее правильно с первого раза и в сжатые сроки, заключалась в высоком уровне знаний, опыта, накопленного за десятилетия эксплуатации токамака Alcator C-Mod, Магнитной лаборатории Фрэнсиса Биттера и других работ, выполненных в PSFC.
"Это затрагивает суть институциональных возможностей такого места, — добавил Хартвиг. — У нас были возможности, инфраструктура, пространство и люди, чтобы делать все это под одной крышей".