Na een decennium van ontwerp en fabricage, General Atomics is klaar om de eerste module van de Central Solenoid te verzenden, 's werelds krachtigste magneet. Het wordt een centraal onderdeel van ITER, een machine die de fusiekracht van de zon nabootst. ITER wordt in Zuid-Frankrijk gebouwd door 35 partnerlanden.

De missie van ITER is om te bewijzen dat energie uit waterstoffusie op aarde kan worden gecreëerd en gecontroleerd. Fusie-energie is koolstofvrij, veilig en economisch. De materialen om de samenleving miljoenen jaren van waterstoffusie te voorzien, zijn gemakkelijk in overvloed aanwezig.

Ondanks de uitdagingen van Covid-19, ITER is voor bijna 75 procent gebouwd. In de afgelopen 15 maanden, massale eerste-of-a-kind componenten zijn begonnen in Frankrijk aan te komen vanuit drie continenten. Bij elkaar gemonteerd, zij zullen de ITER Tokamak vormen, een "zon op aarde" om fusie op industriële schaal te demonstreren.

ITER is een samenwerking van 35 partnerlanden:de Europese Unie (plus het Verenigd Koninkrijk en Zwitserland), China, Indië, Japan, Korea, Rusland en de Verenigde Staten. Het grootste deel van de financiering van ITER is in de vorm van bijgedragen componenten. Deze regeling drijft bedrijven als General Atomics ertoe hun expertise in de futuristische technologieën die nodig zijn voor fusie uit te breiden.

De centrale solenoïde, de grootste van de magneten van ITER, zal bestaan ​​uit zes modules. Het is een van de grootste bijdragen van de VS aan ITER.

Volledig samengesteld, het zal 18 meter (59 voet) lang en 4,25 meter (14 voet) breed zijn, en zal duizend ton wegen. Het zal een krachtige stroom induceren in het ITER-plasma, helpen bij het vormgeven en beheersen van de fusiereactie tijdens lange pulsen. Het wordt soms het "kloppende hart" van de ITER-machine genoemd.

Hoe krachtig is de centrale solenoïde? Zijn magnetische kracht is sterk genoeg om een ​​vliegdekschip 2 meter (6 voet) de lucht in te tillen. In de kern, het zal een magnetische veldsterkte van 13 Tesla bereiken, ongeveer 280, 000 keer sterker dan het aardmagnetisch veld. De ondersteunende structuren voor de centrale solenoïde zullen krachten moeten weerstaan ​​die gelijk zijn aan tweemaal de stuwkracht van een lancering van een spaceshuttle.

Eerder dit jaar, General Atomics (GA) voltooide de laatste tests van de eerste centrale solenoïde-module. Deze week wordt het op een speciale vrachtwagen voor zwaar transport geladen voor verzending naar Houston, waar het op een zeeschip zal worden geplaatst voor verzending naar Zuid-Frankrijk.

De centrale solenoïde zal een cruciale rol spelen in de missie van ITER om fusie-energie tot stand te brengen als een praktisch, veilige en onuitputtelijke bron van schone, overvloedige en koolstofvrije elektriciteit.

"Dit project behoort tot de grootste, meest complexe en veeleisende magneetprogramma's ooit ondernomen, " zegt Jan Smit, GA's directeur engineering en projecten. "Ik spreek namens het hele team als ik zeg dat dit het belangrijkste en belangrijkste project van onze loopbaan is. We hebben allemaal de verantwoordelijkheid gevoeld om aan een baan te werken die de wereld kan veranderen. Dit is een belangrijke prestatie voor de GA team en US ITER."

De Central Solenoid-modules worden vervaardigd in GA's Magnet Technologies Center in Poway, Californië, in de buurt van San Diego, onder leiding van het Amerikaanse ITER-project, beheerd door Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Vijf extra centrale magneetmodules, plus een reserve, bevinden zich in verschillende stadia van fabricage. Module 2 wordt in augustus verzonden.

De belofte van fusie

Waterstoffusie is een ideale methode om energie op te wekken. De deuteriumbrandstof is gemakkelijk verkrijgbaar in zeewater, en het enige bijproduct is helium. Als een gas, steenkool, of splijtingsinstallatie, een fusiefabriek zal zorgen voor zeer geconcentreerde, basislast energie de klok rond. Toch veroorzaakt fusie geen uitstoot van broeikasgassen of langlevend radioactief afval. Het risico op ongevallen met een fusie-installatie is zeer beperkt:als de insluiting verloren gaat, de fusiereactie stopt gewoon.

Fusie-energie is dichterbij dan veel mensen beseffen. Het zou een bron van koolstofvrije elektriciteit voor het net kunnen zijn, een sleutelrol spelen terwijl de VS en andere landen hun opwekkingsinfrastructuur koolstofarm maken. Twee recente rapporten die door de fusiegemeenschap zijn vrijgegeven, geven aan hoe de VS daar kunnen komen.

In december, het Amerikaanse Department of Energy Fusion Energy Sciences Advisory Committee heeft een rapport uitgebracht met een strategisch plan voor fusie-energie en plasmawetenschappelijk onderzoek in het komende decennium. Het roept op tot de ontwikkeling en bouw van een proeffabriek voor kernfusie tegen 2040.

In februari van dit jaar, de Nationale Academies van Wetenschappen, Engineering, en Medicine (NASEM) hebben een aanvullend rapport uitgebracht waarin wordt opgeroepen tot agressieve actie om een ​​proefcentrale te bouwen. Het NASEM-rapport stelt een ontwerp voor tegen 2028 en een proeffabriek voor kernfusie in de tijdlijn 2035-2040.

"Het punt van het werken vanuit deze tijdlijn was om te schetsen wat er nodig zou zijn om een ​​impact te hebben op de overgang naar verminderde CO2-uitstoot tegen het midden van de eeuw. Veel investeringen en essentiële activiteiten zouden nu moeten beginnen om aan die tijdlijn te voldoen, " zegt Kathy McCarthy, Directeur van het Amerikaanse ITER Project Office bij Oak Ridge National Laboratory. "De ervaring die we met ITER opdoen in geïntegreerde, engineering op reactorschaal is van onschatbare waarde voor het realiseren van een levensvatbare, praktische weg naar fusie-energie."

Gebruikmaken van wereldwijde middelen voor fusieonderzoek

ITER ("The Way" in het Latijn) is een van de meest ambitieuze energieprojecten ooit geprobeerd. In Zuid-Frankrijk, een coalitie van 35 landen werkt samen om het grootste en krachtigste tokamak-fusie-apparaat te bouwen. De experimentele campagne die bij ITER zal worden uitgevoerd, is cruciaal om de weg vrij te maken voor de fusiecentrales van morgen.

Op grond van de ITER-overeenkomst van 2006, alle leden zullen gelijkelijk delen in de ontwikkelde technologie terwijl ze slechts een deel van de totale kosten financieren. De VS dragen ongeveer negen procent bij aan de bouwkosten van ITER.

"Het ITER-project is de meest complexe wetenschappelijke samenwerking in de geschiedenis, " zegt Dr. Bernard Bigot, directeur-generaal van de ITER-organisatie. "Zeer uitdagend Er worden in een periode van bijna 10 jaar op drie continenten eersteklas componenten vervaardigd door toonaangevende bedrijven zoals General Atomics. Elk onderdeel vertegenwoordigt een eersteklas engineeringteam. Zonder deze wereldwijde deelname zou ITER zou niet mogelijk zijn geweest; maar als een gezamenlijke inspanning, elk team maakt gebruik van zijn investering door wat het van de anderen leert."

Zowel de technische inzichten als de wetenschappelijke gegevens die door ITER worden gegenereerd, zullen van cruciaal belang zijn voor het Amerikaanse fusieprogramma. Net als bij de andere leden, de meeste Amerikaanse bijdragen zijn in de vorm van productie in natura. Deze aanpak stelt de lidstaten in staat om de binnenlandse productie te ondersteunen, hightech banen creëren, en het ontwikkelen van nieuwe mogelijkheden in de particuliere sector.

"De levering van de eerste ITER Central Solenoid-module is een opwindende mijlpaal voor de demonstratie van fusie-energie en ook een geweldige prestatie van de Amerikaanse capaciteit om zeer grote, hoog veld, hoogenergetische supergeleidende magneten, ", zegt Dr. Michael Mauel van Columbia University. "GA's succes bij het bouwen, testen, en het leveren van supergeleidende magneten met een hoog veld voor fusie-energie is een hightech doorbraak voor de VS en geeft vertrouwen in het realiseren van fusie-energie in de toekomst."

"De Verenigde Staten zijn een essentieel lid van het ITER-project, waarmee ze decennia geleden begonnen, " Bigot legt uit, "Algemene Atoomkunde, met zijn expertise van wereldklasse in zowel complexe productie als nauwkeurige controle van magnetische velden, is een goed voorbeeld van de opmerkelijke expertise van Amerikaanse wetenschappers en ingenieurs."

ITER zal het eerste fusieapparaat zijn dat netto energie over het plasma produceert, wat betekent dat de fusiereactie meer thermische energie zal genereren dan de energie die nodig is om het plasma te verwarmen. ITER zal ook het eerste fusie-apparaat zijn dat fusie voor lange tijd in stand houdt. ITER zal 500 megawatt thermische fusie-energie opwekken, meer dan dertig keer het huidige record dat is behaald op de JET-tokamak in het VK.

ITER zal veel mogelijkheden hebben die veel verder gaan dan de huidige tokamaks. Hoewel ITER geen elektriciteit zal opwekken, het zal een kritische proeftuin zijn voor de geïntegreerde technologieën, materialen, en natuurkundige regimes die nodig zijn voor de commerciële productie van op kernfusie gebaseerde elektriciteit. De lessen die bij ITER zijn geleerd, zullen worden gebruikt om de eerste generatie commerciële fusiecentrales te ontwerpen.

"ITER speelt een centrale rol in onderzoeksactiviteiten voor het verbranden van plasma in de VS en is de volgende cruciale stap in de ontwikkeling van fusie-energie, ' zegt dokter Mauel.

De centrale solenoïde in context

Het Magnet Technologies Center van General Atomics is speciaal ontwikkeld voor de productie van de centrale solenoïde - de grootste en krachtigste gepulseerde supergeleidende elektromagneet ooit gebouwd - in samenwerking met US ITER.

Het creëren van de magnetische velden in een tokamak vereist drie verschillende arrays van magneten. Externe spoelen rond de ring van de tokamak produceren het toroidale magnetische veld, het plasma in het vat opsluiten. De poloïdale spoelen, een gestapelde set ringen die evenwijdig aan zijn omtrek om de tokamak draaien, controle over de positie en vorm van het plasma.

In het midden van de tokamak, de centrale solenoïde gebruikt een energiepuls om een ​​krachtige toroïdale stroom op te wekken in het plasma dat rond de torus stroomt. De beweging van ionen met deze stroom creëert op zijn beurt een tweede poloïdaal magnetisch veld dat de opsluiting van het plasma verbetert, evenals het genereren van warmte voor fusie. Bij 15 miljoen ampère, De plasmastroom van ITER zal veel krachtiger zijn dan alles wat mogelijk is in de huidige tokamaks.

Het supergeleidermateriaal dat in de magneten van ITER wordt gebruikt, werd geproduceerd in negen fabrieken in zes landen. De 43 kilometer (26,7 mijl) niobium-tin supergeleider voor de centrale solenoïde werd vervaardigd in Japan.

Samen, De magneten van ITER creëren een onzichtbare kooi voor het plasma die zich precies aanpast aan de metalen wanden van de tokamak.

De centrale solenoïde maken

De fabricage van de eerste module begon in 2015. Het werd voorafgegaan door bijna vier jaar samenwerking met experts van US ITER om het proces en de tools voor het fabriceren van de modules te ontwerpen.

Elke 4,25 meter (14 voet) diameter, 110 ton (250, 000-pond) module vereist meer dan twee jaar precisiefabricage van meer dan 5 kilometer (3 mijl) met staal omhulde niobium-tin supergeleidende kabel. De kabel is precies gewikkeld in platte, gelaagde "pannenkoeken" die zorgvuldig aan elkaar moeten worden gesplitst.

Om het supergeleidende materiaal in de modulewikkeling te maken, de module moet zorgvuldig met warmte worden behandeld in een grote oven, die op dezelfde manier werkt als een convectieoven die in veel keukens wordt gebruikt. Het voordeel van de convectieoven is de mogelijkheid om het totale proces te verkorten terwijl het uniform "koken" van de module behouden blijft. Binnen in de oven, de module brengt ongeveer tien en een halve dag door bij 570 °C (1, 060°F) en nog eens vier dagen bij 650°C (1200°F). Het hele proces duurt ongeveer vijf weken.

Na de warmtebehandeling, de kabel is geïsoleerd om ervoor te zorgen dat er geen kortsluiting ontstaat tussen windingen en lagen. Tijdens bochtisolatie, de module moet onafgeveerd zijn zonder de geleider te overbelasten, die nu spanningsgevoelig is door warmtebehandeling.

Om de verpakking uit te voeren, de windingen van de module zijn uitgerekt als een slinky, waardoor de tape-koppen de glasvezel / Kapton-isolatie rond de geleider kunnen wikkelen. Zodra de individuele beurten zijn ingepakt, de externe module-oppervlakken worden vervolgens omwikkeld met grondisolatie. De grondisolatie bestaat uit 25 lagen glasvezel en Kapton-platen. De aardingsisolatie moet ook strak om complexe spoelelementen passen, zoals de heliuminlaten.

Na isolatie, de module is ingesloten in een mal, en 3, 800 liter (1, 000 gallons) epoxyhars wordt onder vacuüm geïnjecteerd, om de isolatiematerialen te verzadigen en luchtbellen of holtes te voorkomen. Wanneer uitgehard bij 650 °C (260 °F), de epoxy versmelt de hele module tot een enkele structurele eenheid.

De voltooide module wordt onderworpen aan een reeks veeleisende tests, het plaatsen in de extreme omstandigheden die het zal ervaren tijdens ITER-werking, inclusief bijna volledig vacuüm en cryogene temperaturen die nodig zijn om de magneet supergeleidend te maken (4,5 Kelvin, wat overeenkomt met ongeveer -450 °F of -270 °C).

De lessen die zijn geleerd over de eerste centrale solenoïde-module zijn toegepast op de fabricage van de volgende zes spoelen.

"Voor degenen onder ons die onze loopbaan hebben gewijd aan fusieonderzoek, dit is ontegensprekelijk een spannend moment, " zei dr. Tony Taylor, GA's vice-president voor magnetische fusie-energie. "Als de module vertrekt voor zijn reis naar Frankrijk, we zullen allemaal trots kunnen zijn op een zeer belangrijke bijdrage op de weg naar fusie-energie."

Verzending naar Frankrijk

ITER-constructie omvat meer dan 1 miljoen componenten, over de hele wereld vervaardigd. Veel van deze componenten zijn erg groot, en de Central Solenoid-modules behoren tot de zwaarste. Het verzendproces voor de massieve magneten vereist gespecialiseerde zware transportvoertuigen. Het hele proces voor het veilig laden en vastzetten van de module op de vrachtwagen, inclusief voorbereidingen voor het hijsen, duurt ongeveer een week.

Na het laden, de module wordt verscheept naar Houston, Texas, waar het op een schip zal worden geplaatst voor transport naar de ITER-locatie. De eerste module gaat eind juli de zee op en komt eind augustus in Frankrijk aan. Grondtransport naar de ITER-site zal begin september plaatsvinden.

"Fusion heeft het potentieel om veilige, milieuvriendelijke energie als realistische vervanging voor fossiele brandstoffen in deze eeuw, " zegt Bigot. "Met een bijna onbeperkte wereldwijde voorraad brandstof, het heeft ook het potentieel - in aanvulling op hernieuwbare energiebronnen - om de geopolitiek van de energievoorziening te transformeren. Ik kan geen betere illustratie van die transformatieve actie bedenken dan het ITER-project, waar onze Amerikaanse partners nauw samenwerken met bijdragers uit China, Europa, Indië, Japan, Zuid-Korea, en Rusland, als één enkel team dat zich toelegt op het bereiken van het gemeenschappelijke doel van een mooie energietoekomst."