Het was een moment van drie jaar in de maak, gebaseerd op intensief onderzoeks- en ontwerpwerk:op 5 september Voor de eerste keer, een grote supergeleidende elektromagneet op hoge temperatuur werd opgevoerd tot een veldsterkte van 20 tesla, het krachtigste magnetische veld in zijn soort dat ooit op aarde is gecreëerd. Die succesvolle demonstratie helpt bij het oplossen van de grootste onzekerheid in de zoektocht om 's werelds eerste fusiecentrale te bouwen die meer stroom kan produceren dan hij verbruikt, volgens de projectleiders bij MIT en het startup-bedrijf Commonwealth Fusion Systems (CFS).

Dat voorschot maakt de weg vrij, ze zeggen, voor de lang gezochte creatie van praktische, goedkoop, koolstofvrije energiecentrales die een grote bijdrage kunnen leveren aan het beperken van de effecten van de wereldwijde klimaatverandering.

"Fusion is in veel opzichten de ultieme schone energiebron, " zegt Maria Zuber, MIT's vice-president voor onderzoek en E.A. Griswold hoogleraar Geofysica. "De hoeveelheid stroom die beschikbaar is, is echt baanbrekend." De brandstof die wordt gebruikt om fusie-energie te creëren, is afkomstig van water, en "de aarde zit vol met water - het is een bijna onbeperkte hulpbron. We moeten alleen uitzoeken hoe we het kunnen gebruiken."

Het ontwikkelen van de nieuwe magneet wordt gezien als de grootste technologische hindernis om dat mogelijk te maken; zijn succesvolle operatie opent nu de deur naar het demonstreren van fusie in een laboratorium op aarde, die al tientallen jaren wordt nagestreefd met beperkte vooruitgang. Nu de magneettechnologie met succes is gedemonstreerd, de MIT-CFS-samenwerking ligt op schema om 's werelds eerste fusie-apparaat te bouwen dat een plasma kan creëren en opsluiten dat meer energie produceert dan het verbruikt. Dat demonstratieapparaat, genaamd SPARC, is gericht op voltooiing in 2025.

"De uitdagingen om fusie tot stand te brengen zijn zowel technisch als wetenschappelijk, " zegt Dennis Whyte, directeur van MIT's Plasma Science and Fusion Center, die samenwerkt met CFS om SPARC te ontwikkelen. Maar als de technologie eenmaal bewezen is, hij zegt, "het is een onuitputtelijke, koolstofvrije energiebron die u altijd en overal kunt inzetten. Het is echt een fundamenteel nieuwe energiebron."

waarom, wie is de Hitachi America Professor of Engineering, zegt dat de demonstratie van deze week een belangrijke mijlpaal is, het beantwoorden van de grootste resterende vragen over de haalbaarheid van het SPARC-ontwerp. "Het is echt een keerpunt, Ik geloof, in fusiewetenschap en technologie, " hij zegt.

De zon in een fles

Fusie is het proces dat de zon aandrijft:de fusie van twee kleine atomen om een ​​grotere te maken, het vrijgeven van enorme hoeveelheden energie. Maar het proces vereist temperaturen die veel hoger zijn dan wat een vast materiaal kan weerstaan. Om de krachtbron van de zon hier op aarde vast te leggen, wat nodig is, is een manier om iets dat hot—100, 000, 000 graden of meer - door het op te hangen op een manier die voorkomt dat het in contact komt met iets vasts.

Dat gebeurt door intense magnetische velden, die een soort onzichtbare fles vormen om de hete kolkende soep van protonen en elektronen te bevatten, een plasma genoemd. Omdat de deeltjes een elektrische lading hebben, ze worden sterk gecontroleerd door de magnetische velden, en de meest gebruikte configuratie om ze te bevatten, is een donutvormig apparaat dat een tokamak wordt genoemd. De meeste van deze apparaten hebben hun magnetische velden opgewekt met conventionele elektromagneten van koper, maar de nieuwste en grootste versie in aanbouw in Frankrijk, ITER genoemd, maakt gebruik van zogenaamde lage-temperatuur-supergeleiders.

De belangrijkste innovatie in het MIT-CFS-fusieontwerp is het gebruik van hogetemperatuur-supergeleiders, die een veel sterker magnetisch veld in een kleinere ruimte mogelijk maken. Dit ontwerp werd mogelijk gemaakt door een nieuw soort supergeleidend materiaal dat een paar jaar geleden in de handel verkrijgbaar was. Het idee ontstond aanvankelijk als een klasproject in een klas nucleaire techniek die werd gegeven door Whyte. Het idee leek zo veelbelovend dat het in de volgende paar iteraties van die klasse verder werd ontwikkeld, leidend tot het ontwerpconcept van de ARC-energiecentrale begin 2015. SPARC, ontworpen om ongeveer de helft van de grootte van ARC te zijn, is een testbed om het concept te bewijzen vóór de bouw van de full-size, energieproducerende fabriek.

Tot nu, de enige manier om de kolossaal krachtige magnetische velden te bereiken die nodig zijn om een ​​magnetische "fles" te creëren die plasma kan bevatten dat tot honderden miljoenen graden is verwarmd, was ze groter en groter te maken. Maar het nieuwe supergeleidermateriaal voor hoge temperaturen, gemaakt in de vorm van een flat, lintachtige tape, maakt het mogelijk om een ​​hoger magnetisch veld te bereiken in een kleiner apparaat, gelijk aan de prestatie die zou worden bereikt in een apparaat dat 40 keer groter is in volume met behulp van conventionele supergeleidende magneten bij lage temperatuur. Die sprong in kracht versus grootte is het belangrijkste element in het revolutionaire ontwerp van ARC.

Het gebruik van de nieuwe supergeleidende magneten voor hoge temperaturen maakt het mogelijk om tientallen jaren experimentele kennis toe te passen die is opgedaan met de werking van tokamak-experimenten, inclusief MIT's eigen Alcator-serie. De nieuwe aanpak maakt gebruik van een bekend ontwerp, maar verkleint alles tot ongeveer de helft van de lineaire grootte en bereikt nog steeds dezelfde operationele omstandigheden vanwege het hogere magnetische veld.

Een reeks wetenschappelijke artikelen die vorig jaar werden gepubliceerd, schetsten de fysieke basis en, door simulatie, bevestigde de levensvatbaarheid van het nieuwe fusie-apparaat. Uit de kranten bleek dat als de magneten werkten zoals verwacht, het hele fusiesysteem zou inderdaad netto vermogen moeten produceren, voor het eerst in decennia van fusieonderzoek.

Martin Groenwald, adjunct-directeur en senior onderzoeker bij de PSFC, zegt, in tegenstelling tot sommige andere ontwerpen voor fusie-experimenten, "de niche die we aan het vullen waren, was het gebruik van conventionele plasmafysica, en conventionele tokamak-ontwerpen en -engineering, maar breng er deze nieuwe magneettechnologie naar toe. Dus, we hadden geen behoefte aan innovatie op een half dozijn verschillende gebieden. We zouden gewoon innoveren op de magneet, en pas vervolgens de kennisbasis toe van wat er de afgelopen decennia is geleerd."

Die combinatie van wetenschappelijk vastgestelde ontwerpprincipes en baanbrekende magnetische veldsterkte maakt het mogelijk om een ​​plant te realiseren die economisch levensvatbaar kan zijn en zich snel kan ontwikkelen. "Het is een groot moment, " zegt Bob Mumgaard, CEO van CFS. "We hebben nu een platform dat zowel wetenschappelijk zeer ver gevorderd is, vanwege de decennia van onderzoek naar deze machines, en ook commercieel zeer interessant. Wat het doet, is dat we apparaten sneller kunnen bouwen, kleiner, en tegen lagere kosten, " zegt hij over de succesvolle magneetdemonstratie.

Bewijs van het concept

Om dat nieuwe magneetconcept werkelijkheid te laten worden, was drie jaar intensief ontwerpwerk nodig, het opzetten van toeleveringsketens, en het uitwerken van productiemethoden voor magneten die uiteindelijk met duizenden moeten worden geproduceerd.

"We bouwden een eersteklas, supergeleidende magneet. Het vergde veel werk om unieke productieprocessen en apparatuur te creëren. Als resultaat, we zijn nu goed voorbereid om de SPARC-productie op te voeren, " zegt Joy Dunn, hoofd operaties bij CFS. "We zijn begonnen met een natuurkundig model en een CAD-ontwerp, en werkte door veel ontwikkeling en prototypen om een ​​ontwerp op papier om te zetten in deze echte fysieke magneet." Dat hield in dat er productiemogelijkheden en testfaciliteiten moesten worden gebouwd, inclusief een iteratief proces met meerdere leveranciers van de supergeleidende tape, om hen te helpen het vermogen te bereiken om materiaal te produceren dat aan de vereiste specificaties voldeed - en waarvoor CFS nu overweldigend 's werelds grootste gebruiker is.

Ze werkten parallel met twee mogelijke magneetontwerpen, die beide uiteindelijk aan de ontwerpvereisten voldeden, ze zegt. "Het kwam er echt op neer welke een revolutie teweeg zou brengen in de manier waarop we supergeleidende magneten maken, en welke was makkelijker te bouwen." Het ontwerp dat ze hanteerden sprong in dat opzicht duidelijk uit, ze zegt.

Bij deze proef de nieuwe magneet werd geleidelijk in een reeks stappen van stroom voorzien totdat het doel van een magnetisch veld van 20 tesla werd bereikt - de hoogste veldsterkte ooit voor een supergeleidende fusiemagneet op hoge temperatuur. De magneet bestaat uit 16 op elkaar gestapelde platen, die elk op zichzelf de krachtigste supergeleidende magneet voor hoge temperaturen ter wereld zouden zijn.

"Drie jaar geleden kondigden we een plan aan, " zegt Mumgaard, "om een ​​magneet van 20 tesla te bouwen, dat is wat we nodig hebben voor toekomstige fusiemachines." Dat doel is nu bereikt, precies op schema, zelfs met de pandemie, hij zegt.

Onder verwijzing naar de reeks natuurkundige artikelen die vorig jaar zijn gepubliceerd, Brandon Sorbom, de chief science officer bij CFS, zegt "in feite concluderen de kranten dat als we de magneet bouwen, alle fysica zal werken in SPARC. Dus, deze demonstratie geeft antwoord op de vraag:Kunnen ze de magneet bouwen? Het is een heel spannende tijd! Het is een enorme mijlpaal."

De volgende stap is het bouwen van SPARC, een kleinere versie van de geplande ARC-centrale. De succesvolle exploitatie van SPARC zal aantonen dat een grootschalige commerciële fusiecentrale praktisch is, de weg vrijmaken voor een snel ontwerp en de bouw van dat baanbrekende apparaat kan dan op volle snelheid doorgaan.

Zuber zegt:"Ik ben nu oprecht optimistisch dat SPARC netto positieve energie kan bereiken, gebaseerd op de aangetoonde prestaties van de magneten. De volgende stap is opschalen, om een ​​echte elektriciteitscentrale te bouwen. Er liggen nog veel uitdagingen in het verschiet, niet de minste daarvan is het ontwikkelen van een ontwerp dat betrouwbare, aanhoudende operatie. En beseffend dat het doel hier commercialisering is, een andere grote uitdaging zal economisch van aard zijn. Hoe ontwerp je deze energiecentrales zodat het kosteneffectief is om ze te bouwen en in te zetten?"

Op een dag in een verhoopte toekomst, wanneer er misschien duizenden fusiecentrales zijn die schone elektriciteitsnetten over de hele wereld van stroom voorzien, Zuber zegt, "Ik denk dat we terug gaan kijken en nadenken over hoe we daar zijn gekomen, en ik denk dat de demonstratie van de magneettechnologie, voor mij, is de tijd dat ik geloofde dat, Wauw, wij kunnen dit echt."

De succesvolle creatie van een energieproducerend fusieapparaat zou een enorme wetenschappelijke prestatie zijn, Zuber merkt op. Maar dat is niet het belangrijkste punt. "Niemand van ons probeert op dit moment trofeeën te winnen. We proberen de planeet leefbaar te houden."

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.