Een belangrijke innovatie:geen isolatie

Een van de dramatische innovaties, waardoor vele anderen in het veld sceptisch waren over de kansen op succes, was de eliminatie van isolatie rond de dunne, platte linten supergeleidende tape waaruit de magneet bestond. Zoals vrijwel alle elektrische draden zijn conventionele supergeleidende magneten volledig beschermd door isolatiemateriaal om kortsluiting tussen de draden te voorkomen. Maar bij de nieuwe magneet bleef de tape volledig bloot; de ingenieurs vertrouwden op de veel grotere geleidbaarheid van REBCO om de stroom door het materiaal te laten stromen.

"Toen we met dit project begonnen, laten we zeggen 2018, stond de technologie van het gebruik van hoge-temperatuur-supergeleiders om grootschalige hoogveldmagneten te bouwen nog in de kinderschoenen", zegt Zach Hartwig, Robert N. Noyce Career Development Professor bij de afdeling. van nucleaire wetenschappen en techniek. Hartwig heeft een medeaanstelling bij de PSFC en staat aan het hoofd van de engineeringgroep, die leiding gaf aan het magneetontwikkelingsproject.

"De stand van zaken bestond uit kleine benchtop-experimenten, die niet echt representatief zijn voor wat er nodig is om iets op ware grootte te bouwen. Ons magneetontwikkelingsproject begon op benchtop-schaal en eindigde in korte tijd op volledige schaal", voegt hij eraan toe. , en merkte op dat het team een ​​magneet van 9.000 kilo bouwde die een stabiel, gelijkmatig magnetisch veld van iets meer dan 20 tesla produceerde – veel meer dan enig dergelijk veld dat ooit op grote schaal is geproduceerd.

"De standaardmanier om deze magneten te bouwen is dat je de geleider wikkelt en dat je isolatie tussen de wikkelingen hebt, en je hebt isolatie nodig om om te gaan met de hoge spanningen die worden gegenereerd tijdens niet-normale gebeurtenissen zoals een uitschakeling." Het elimineren van de isolatielagen, zegt hij, "heeft het voordeel dat het een laagspanningssysteem is. Het vereenvoudigt de fabricageprocessen en de planning aanzienlijk." Het laat ook meer ruimte over voor andere elementen, zoals meer verkoeling of meer structuur voor stevigheid.

De magneetconstructie is een iets kleinere versie van degene die de donutvormige kamer zullen vormen van het SPARC-fusieapparaat dat nu door CFS in Devens, Massachusetts wordt gebouwd. Het bestaat uit 16 platen, pannenkoeken genoemd, elk met aan de ene kant een spiraalvormige wikkeling van de supergeleidende tape en aan de andere kant koelkanalen voor heliumgas.

Maar het ontwerp zonder isolatie werd als riskant beschouwd, en er stond veel op het testprogramma. "Dit was de eerste magneet op voldoende grote schaal die echt onderzocht wat er komt kijken bij het ontwerpen, bouwen en testen van een magneet met deze zogenaamde no-insulation no-twist-technologie", zegt Hartwig. "Het was een grote verrassing voor de gemeenschap toen we aankondigden dat het een spoel zonder isolatie was."

Tot het uiterste gaan... en verder

De eerste test, beschreven in eerdere artikelen, bewees dat het ontwerp- en fabricageproces niet alleen werkte, maar ook zeer stabiel was – iets waar sommige onderzoekers aan twijfelden. De volgende twee testruns, eveneens eind 2021 uitgevoerd, brachten het apparaat vervolgens tot het uiterste door opzettelijk onstabiele omstandigheden te creëren, waaronder een volledige uitschakeling van de binnenkomende stroom die tot catastrofale oververhitting kon leiden. Dit staat bekend als blussen en wordt beschouwd als een worstcasescenario voor de werking van dergelijke magneten, met het potentieel om de apparatuur te vernietigen.

Een deel van de missie van het testprogramma, zegt Hartwig, was ‘het daadwerkelijk uitvoeren en opzettelijk uitdoven van een magneet op volledige schaal, zodat we de kritische gegevens op de juiste schaal en onder de juiste omstandigheden kunnen verkrijgen om de wetenschap vooruit te helpen, om de ontwerpcodes, en dan de magneet uit elkaar halen en kijken wat er mis ging, waarom ging het mis, en hoe kunnen we de volgende iteratie gebruiken om dat op te lossen... Het was een zeer succesvolle test."

Die laatste test, die eindigde met het smelten van een hoekje van een van de zestien pannenkoeken, leverde een schat aan nieuwe informatie op, zegt Hartwig. Om te beginnen hadden ze verschillende computermodellen gebruikt om de prestaties van verschillende aspecten van de prestaties van de magneet te ontwerpen en te voorspellen, en voor het grootste deel kwamen de modellen overeen in hun algemene voorspellingen en waren ze goed gevalideerd door de reeks tests en tests. metingen in de echte wereld. Maar bij het voorspellen van het effect van de uitdoving liepen de modelvoorspellingen uiteen, dus was het nodig om de experimentele gegevens te verkrijgen om de validiteit van de modellen te evalueren.

"De meest betrouwbare modellen die we hadden voorspelden vrijwel precies hoe de magneet zou opwarmen, in welke mate hij zou opwarmen toen hij begon uit te doven, en waar de resulterende schade aan de magneet zou zijn", zegt hij. Zoals gedetailleerd beschreven in een van de nieuwe rapporten:"Die test vertelde ons feitelijk precies wat er aan de hand was, en vertelde ons welke modellen in de toekomst bruikbaar waren en welke we terzijde moesten laten omdat ze niet kloppen."

Whyte zegt:"Eigenlijk hebben we met opzet het slechtst mogelijke met een spoel gedaan, nadat we alle andere aspecten van de prestaties van de spoel hadden getest. En we ontdekten dat het grootste deel van de spoel het zonder schade overleefde", terwijl een geïsoleerd gebied enkele schade opliep. smeltend. "Het is alsof een paar procent van het volume van de spoel beschadigd is geraakt." En dat leidde tot herzieningen in het ontwerp die naar verwachting dergelijke schade aan de daadwerkelijke magneten van het fusie-apparaat zullen voorkomen, zelfs onder de meest extreme omstandigheden.

Hartwig benadrukt dat een belangrijke reden dat het team erin slaagde zo’n radicaal nieuw recordbrekend magneetontwerp te realiseren, en het de allereerste keer en volgens een razendsnel schema goed voor elkaar kreeg, te danken was aan het diepgaande niveau van kennis, expertise en apparatuur dat was opgebouwd. gedurende tientallen jaren van exploitatie van de Alcator C-Mod tokamak, het Francis Bitter Magnet Laboratory en ander werk dat bij PSFC is uitgevoerd. "Dit raakt de kern van de institutionele mogelijkheden van een plek als deze", zegt hij. "We hadden de capaciteit, de infrastructuur, de ruimte en de mensen om deze dingen onder één dak te doen."

De samenwerking met CFS was ook van cruciaal belang, zegt hij, waarbij MIT en CFS de krachtigste aspecten van een academische instelling en een particulier bedrijf combineerden om samen dingen te doen die geen van beide op zichzelf had kunnen doen. “Een van de belangrijkste bijdragen van CFS was bijvoorbeeld het benutten van de kracht van een particulier bedrijf om een ​​toeleveringsketen op een ongekend niveau en tijdlijn op te zetten en op te schalen voor het meest kritische materiaal in het project:300 kilometer hoge -temperatuur-supergeleider, die binnen een jaar met strenge kwaliteitscontroles werd aangeschaft en volgens schema in de magneet werd geïntegreerd."

De integratie van de twee teams, die van MIT en die van CFS, was ook cruciaal voor het succes, zegt hij. "We beschouwden onszelf als één team en dat maakte het mogelijk om te doen wat we deden."

Meer informatie: Papieren:speciale uitgave over het SPARC Toroidal Field Model Coil Program

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

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.