Wetenschappers hebben lang geprobeerd fusie te benutten als een onuitputtelijke en koolstofvrije energiebron. In de afgelopen jaren, baanbrekende hogetemperatuur-supergeleidertechnologie (HTS) leidde tot een nieuwe visie voor het bereiken van praktische fusie-energie. Deze aanpak, bekend als de high-field route naar fusie, heeft tot doel fusie te genereren in compacte apparaten op een kortere tijdschaal en tegen lagere kosten dan alternatieve benaderingen.

Een belangrijke technische uitdaging om deze visie te realiseren, Hoewel, heeft HTS-supergeleiders op een geïntegreerde manier laten werken bij de ontwikkeling van nieuwe, krachtige supergeleidende magneten, die hogere magnetische velden mogelijk maakt dan eerdere generaties magneten, en staan ​​centraal in het beperken en beheersen van plasmareacties.

Nu een team onder leiding van MIT's Plasma Science and Fusion Center (PSFC) en MIT-spin-outbedrijf Commonwealth Fusion Systems (CFS), heeft een HTS-kabeltechnologie ontwikkeld en uitgebreid getest die kan worden geschaald en ingebouwd in de krachtige magneten. Het onderzoek van het team werd op 7 oktober gepubliceerd in Wetenschap en technologie van supergeleiders . Onderzoekers omvatten MIT-assistent-professor en hoofdonderzoeker Zachary Hartwig; PSFC plaatsvervangend hoofd engineering Rui F. Vieira en ander belangrijk technisch en technisch personeel van PSFC; CFS Chief Science Officer Brandon Sorbom Ph.D. '17 en andere CFS-ingenieurs; en wetenschappers van CERN in Genève, Zwitserland, en aan het Robinson Research Institute aan de Victoria University of Wellington, Nieuw-Zeeland.

Deze ontwikkeling volgt op een recente impuls aan de high-field-route, toen 47 onderzoekers van 12 instellingen zeven artikelen publiceerden in de Journal of Plasma Physics, waaruit blijkt dat een hoogveldfusie-apparaat, genaamd SPARC, gebouwd met dergelijke magneten zou netto energie produceren - meer energie dan het verbruikt - iets wat nog nooit eerder is aangetoond.

"De kabeltechnologie voor SPARC is een belangrijk stukje van de puzzel terwijl we werken aan het versnellen van de tijdlijn van het bereiken van fusie-energie, " zegt Hartwig, assistent-professor nucleaire wetenschappen en techniek, en leider van het onderzoeksteam bij de PSFC. "Als we succesvol zijn in wat we doen en in andere technologieën, fusie-energie zal een verschil gaan maken in het afzwakken van klimaatverandering - niet in 100 jaar, maar over 10 jaar."

Een super kabel

De innovatieve technologie die in het artikel wordt beschreven, is een supergeleidende kabel die elektriciteit geleidt zonder weerstand of warmteontwikkeling en die niet verslechtert onder extreme mechanische, elektrisch, en thermische omstandigheden. Branded VIPER (een acroniem dat staat voor Vacuum Pressure Impregnated, geïsoleerd, gedeeltelijk omgezet, geëxtrudeerd, en gerolvormd), het bestaat uit commercieel geproduceerde dunne stalen banden bedekt met HTS-verbinding - yttrium-barium-koperoxide - die zijn verpakt in een samenstel van koperen en stalen componenten om de kabel te vormen. Cryogene koelvloeistof, zoals superkritisch helium, kan gemakkelijk door de kabel stromen om warmte af te voeren en de kabel zelfs onder uitdagende omstandigheden koud te houden.

"Een van onze vorderingen was het vinden van een manier om de HTS-tape in de kabel te solderen, waardoor het effectief een monolithische structuur wordt waar alles thermisch is verbonden, ", zegt Sorbom. Toch kan VIPER ook in bochten en bochten worden gevormd, verbindingen gebruiken om "bijna elk type geometrie te creëren, " voegt hij eraan toe. Dit maakt de kabel tot een ideaal bouwmateriaal om in spoelen te wikkelen die magnetische velden van enorme sterkte kunnen genereren en bevatten, zoals die welke nodig zijn om fusie-inrichtingen aanzienlijk kleiner te maken dan de thans voorziene net-energie fusie-inrichtingen.

Veerkrachtig en robuust

"Het belangrijkste dat we met VIPER-kabel kunnen doen, is een magnetisch veld twee tot drie keer sterker maken op de vereiste grootte dan de huidige generatie supergeleidende magneettechnologie, " zegt Hartwig. De grootte van het magnetische veld in tokamaks speelt een sterke niet-lineaire rol bij het bepalen van de plasmaprestaties. Bijvoorbeeld, fusievermogensdichtheid schaalt als magnetisch veld tot de vierde macht:verdubbeling van het veld verhoogt het fusievermogen met 16 keer of, omgekeerd, hetzelfde fusie-uitgangsvermogen kan worden bereikt in een apparaat dat 16 keer kleiner is in volume.

"Bij de ontwikkeling van hoogveldmagneten voor fusie, HTS-kabels zijn een essentieel ingrediënt, en ze zijn vermist, " zegt Sören Prestemon, directeur van het U.S. Magnet Development Program van het Lawrence Berkeley National Laboratory, die niet bij dit onderzoek betrokken was. "VIPER is een doorbraak op het gebied van kabelarchitectuur - misschien wel de eerste kandidaat die levensvatbaar is gebleken voor fusie - en zal de cruciale stap voorwaarts naar demonstratie in een fusiereactor mogelijk maken."

VIPER-technologie biedt ook een krachtige benadering van een bepaald probleem in het supergeleidende magneetveld, een uitdoving genoemd, "dat heeft ingenieurs doodsbang gemaakt sinds ze begonnen met het bouwen van supergeleidende magneten, ", zegt Hartwig. Een quench is een drastische temperatuurstijging die optreedt wanneer de koude kabels geen elektrische stroom meer kunnen geleiden zonder enige weerstand. Wanneer quench optreedt, in plaats van bijna nul warmte te genereren in de supergeleidende toestand, de elektrische stroom genereert een aanzienlijke weerstandsverwarming in de kabel.

"De snelle temperatuurstijging kan ertoe leiden dat de magneet zichzelf mogelijk beschadigt of vernietigt als de elektrische stroom niet wordt uitgeschakeld, ", zegt Hartwig. "We willen deze situatie vermijden of, als niet, weet er in ieder geval zo snel en zeker mogelijk van."

Het team nam twee soorten temperatuurgevoelige glasvezeltechnologie op, ontwikkeld door medewerkers van CERN en Robinson Research Institute. De vezels vertoonden - voor het eerst op volledige HTS-kabels en in representatieve omstandigheden van fusiemagneten met hoog magnetisch veld - gevoelige en snelle detectie van temperatuurveranderingen langs de kabel om te controleren op het begin van uitdoving.

Een ander belangrijk resultaat was de succesvolle integratie van gemakkelijk te fabriceren, lage elektrische weerstand, en mechanisch robuuste verbindingen tussen VIPER-kabels. Supergeleidende verbindingen zijn vaak complex, uitdagend om te maken, en meer kans om te falen dan andere delen van een magneet; VIPER is ontworpen om deze problemen op te lossen. De VIPER-verbindingen hebben als bijkomend voordeel dat ze demontabel zijn, wat betekent dat ze uit elkaar kunnen worden gehaald en opnieuw kunnen worden gebruikt zonder dat dit invloed heeft op de prestaties.

Prestemon merkt op dat de innovatieve architectuur van de kabel rechtstreeks van invloed is op de echte uitdagingen bij het exploiteren van fusiereactoren van de toekomst. "In een echte commerciële fabriek voor het produceren van fusie-energie, intense hitte en straling diep in de reactor zullen routinematige vervanging van componenten vereisen, "zegt hij. "In staat zijn om deze verbindingen uit elkaar te halen en weer in elkaar te zetten, is een belangrijke stap in de richting van het maken van fusie tot een kosteneffectieve propositie."

De 12 VIPER-kabels die het team van Hartwig heeft gebouwd, met een lengte van één tot twaalf meter, werden geëvalueerd met buigproeven, duizenden plotselinge "aan-uit" mechanische cycli, meerdere cryogene thermische cycli, en tientallen quench-achtige gebeurtenissen om het soort straffende omstandigheden te simuleren die worden aangetroffen in de magneten van een fusie-apparaat. De groep voltooide met succes vier meerweekse testcampagnes in vier maanden tijd in de SULTAN-faciliteit, een toonaangevend centrum voor de evaluatie van supergeleidende kabels, beheerd door Swiss Plasma Center, aangesloten bij Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland.

"Dit ongekende aantal HTS-kabeltests bij SULTAN toont de snelheid waarmee technologie kan worden ontwikkeld door een uitstekend team met de mentaliteit om snel te gaan, de bereidheid om risico's te nemen, en de middelen om uit te voeren, ", zegt Hartwig. Het is een sentiment dat als basis dient voor het SPARC-project.

Het SPARC-team blijft de VIPER-kabel verbeteren en gaat door naar de volgende projectmijlpaal medio 2021:"We zullen een multi-ton modelspoel bouwen die vergelijkbaar is met de grootte van een grootschalige magneet voor SPARC, ", zegt Sorbom. Deze onderzoeksactiviteiten zullen de fundamentele magneettechnologieën voor SPARC blijven bevorderen en de demonstratie van netto-energie uit fusie mogelijk maken, een belangrijke prestatie die fusie aangeeft, is een levensvatbare energietechnologie. "Dat zal een keerpunt zijn voor fusie-energie, ’ zegt Hartwig.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.