Nghiên cứu chi tiết về nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao do MIT và Commonwealth Fusion Systems chế tạo xác nhận chúng đáp ứng các yêu cầu đối với một nhà máy điện nhiệt hạch nhỏ gọn, kinh tế.
Tại Trung tâm Khoa học và Hợp nhất Plasma của MIT, nam châm mới đã đạt được cường độ từ trường kỷ lục thế giới là 20 tesla đối với nam châm quy mô lớn. Tín dụng: Gretchen Ertl
Vào rạng sáng ngày 5 tháng 9 năm 2021, các kỹ sư đã đạt được một cột mốc quan trọng trong phòng thí nghiệm của Trung tâm Khoa học và Hợp nhất Plasma (PSFC) của MIT, khi một loại nam châm mới, được chế tạo từ vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao, đạt được từ trường kỷ lục thế giới. cường độ trường 20 tesla đối với một nam châm quy mô lớn. Đó là cường độ cần thiết để xây dựng một nhà máy điện nhiệt hạch dự kiến sẽ tạo ra sản lượng điện ròng và có khả năng mở ra một kỷ nguyên sản xuất điện gần như vô hạn.
Cuộc thử nghiệm ngay lập tức được tuyên bố là thành công, đáp ứng tất cả các tiêu chí được thiết lập cho thiết kế thiết bị nhiệt hạch mới, được đặt tên là SPARC, trong đó nam châm là công nghệ then chốt cho phép thực hiện. Nút chai sâm panh bật lên khi đội ngũ thí nghiệm mệt mỏi, những người đã làm việc chăm chỉ và lâu dài để biến thành tựu thành hiện thực, ăn mừng thành quả của họ.
Nhưng điều đó còn lâu mới kết thúc quá trình. Trong những tháng tiếp theo, nhóm nghiên cứu đã tách rời và kiểm tra các thành phần của nam châm, nghiên cứu và phân tích dữ liệu từ hàng trăm thiết bị ghi lại chi tiết các thử nghiệm và thực hiện hai lần chạy thử nghiệm bổ sung trên cùng một nam châm, cuối cùng đẩy nó đến vị trí mong muốn. điểm phá vỡ để tìm hiểu chi tiết về bất kỳ chế độ lỗi nào có thể xảy ra.
Một đội hạ nam châm vào thùng chứa bộ điều hòa nhiệt độ. Tín dụng: Gretchen Ertl
Tất cả công việc này hiện đã lên đến đỉnh điểm trong một báo cáo chi tiết của các nhà nghiên cứu tại PSFC và công ty phụ trợ Commonwealth Fusion Systems (CFS) của MIT, được xuất bản trong một bộ sưu tập gồm sáu bài báo được bình duyệt trong một ấn bản đặc biệt của tạp chí IEEE Giao dịch về Siêu dẫn Ứng dụng số tháng 3 . Cùng với nhau, các bài viết mô tả thiết kế và chế tạo nam châm cũng như thiết bị chẩn đoán cần thiết để đánh giá hiệu suất của nó, cũng như các bài học rút ra từ quá trình này. Nhìn chung, nhóm nghiên cứu nhận thấy các dự đoán và mô hình máy tính đều chính xác, xác minh rằng các yếu tố thiết kế độc đáo của nam châm có thể đóng vai trò là nền tảng cho một nhà máy điện nhiệt hạch.
Kích hoạt sức mạnh tổng hợp thực tế
Giáo sư Kỹ thuật Dennis Whyte của Hitachi America, người vừa từ chức giám đốc PSFC, cho biết cuộc thử nghiệm thành công nam châm là “điều quan trọng nhất, theo quan điểm của tôi, trong 30 năm nghiên cứu nhiệt hạch vừa qua”.
Trước cuộc trình diễn ngày 5 tháng 9, các nam châm siêu dẫn tốt nhất hiện có đủ mạnh để có khả năng đạt được năng lượng nhiệt hạch - nhưng chỉ ở những kích thước và chi phí không bao giờ có thể thực tế hoặc khả thi về mặt kinh tế. Sau đó, khi các cuộc thử nghiệm cho thấy tính thực tế của một nam châm mạnh như vậy ở kích thước giảm đi đáng kể, “chỉ sau một đêm, về cơ bản, nó đã thay đổi chi phí mỗi watt của lò phản ứng nhiệt hạch lên gần 40 lần trong một ngày,” Whyte nói.
Thiết lập thử nghiệm bên trong Trung tâm Khoa học và Hợp nhất Plasma của MIT. Tín dụng: Gretchen Ertl
“Bây giờ sự hợp nhất đã có cơ hội,” Whyte nói thêm. Tokamaks, thiết kế được sử dụng rộng rãi nhất cho các thiết bị nhiệt hạch thử nghiệm, “theo quan điểm của tôi, có cơ hội tiết kiệm vì bạn có sự thay đổi lượng tử trong khả năng của mình, với các quy tắc vật lý giam cầm đã biết, về khả năng giảm đáng kể kích thước và chi phí của những vật thể có thể tạo ra phản ứng tổng hợp.”
Dữ liệu và phân tích toàn diện từ thử nghiệm nam châm của PSFC, như được trình bày chi tiết trong sáu bài báo mới, đã chứng minh rằng kế hoạch cho một thế hệ thiết bị nhiệt hạch mới - thiết bị do MIT và CFS thiết kế, cũng như các thiết kế tương tự của các công ty nhiệt hạch thương mại khác - đều được xây dựng trên nền tảng khoa học vững chắc.
Đột phá siêu dẫn
Sự kết hợp, quá trình kết hợp các nguyên tử nhẹ để tạo thành những nguyên tử nặng hơn, cung cấp năng lượng cho mặt trời và các ngôi sao, nhưng việc khai thác quá trình đó trên Trái đất đã chứng tỏ là một thách thức khó khăn, với hàng thập kỷ làm việc chăm chỉ và hàng tỷ đô la chi cho các thiết bị thử nghiệm. Mục tiêu được tìm kiếm từ lâu nhưng chưa bao giờ đạt được là xây dựng một nhà máy điện nhiệt hạch tạo ra nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ. Một nhà máy điện như vậy có thể sản xuất điện mà không thải ra khí nhà kính trong quá trình vận hành và tạo ra rất ít chất thải phóng xạ. Nhiên liệu của Fusion, một dạng hydro có thể được lấy từ nước biển, hầu như là vô hạn.
Nhóm lớn nghiên cứu về nam châm đến từ Trung tâm Hợp nhất Khoa học Plasma của MIT và Hệ thống Hợp nhất Khối thịnh vượng chung của MIT. Tín dụng: Gretchen Ertl
Nhưng để làm cho nó hoạt động đòi hỏi phải nén nhiên liệu ở nhiệt độ và áp suất cực cao, và vì chưa có vật liệu nào được biết đến có thể chịu được nhiệt độ như vậy nên nhiên liệu phải được giữ cố định bằng từ trường cực mạnh. Việc tạo ra từ trường mạnh như vậy đòi hỏi nam châm siêu dẫn, nhưng tất cả nam châm nhiệt hạch trước đây đều được chế tạo bằng vật liệu siêu dẫn đòi hỏi nhiệt độ lạnh lẽo khoảng 4 độ trên độ không tuyệt đối (4 kelvins, hay -270 độ C). Trong vài năm gần đây, một vật liệu mới hơn có biệt danh là REBCO, dành cho oxit đồng bari đất hiếm, đã được thêm vào nam châm nhiệt hạch và cho phép chúng hoạt động ở 20 kelvin, nhiệt độ mặc dù chỉ ấm hơn 16 kelvin nhưng mang lại những lợi thế đáng kể về mặt về tính chất vật liệu và kỹ thuật thực tế.
Việc tận dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao mới này không chỉ là vấn đề thay thế nó trong các thiết kế nam châm hiện có. Thay vào đó, “đó là sự làm lại từ nền tảng của hầu hết các nguyên tắc mà bạn sử dụng để chế tạo nam châm siêu dẫn,” Whyte nói. Vật liệu REBCO mới “cực kỳ khác biệt so với thế hệ chất siêu dẫn trước đây. Bạn không chỉ thích ứng và thay thế mà còn thực sự đổi mới ngay từ đầu.” Các bài báo mới trong Giao dịch về tính siêu dẫn ứng dụng mô tả chi tiết về quá trình thiết kế lại đó, hiện đã có sự bảo vệ bằng sáng chế.
Một cải tiến quan trọng: Không cách nhiệt
Một trong những đổi mới đáng chú ý, khiến nhiều người khác trong lĩnh vực này hoài nghi về cơ hội thành công của nó, là việc loại bỏ lớp cách điện xung quanh các dải băng siêu dẫn mỏng, phẳng tạo thành nam châm. Giống như hầu hết các dây điện, nam châm siêu dẫn thông thường được bảo vệ hoàn toàn bằng vật liệu cách điện để tránh đoản mạch giữa các dây. Nhưng ở nam châm mới, cuộn băng hoàn toàn trống rỗng; các kỹ sư đã dựa vào khả năng dẫn điện cao hơn nhiều của REBCO để duy trì dòng điện chạy qua vật liệu.
Zach Hartwig, Giáo sư Phát triển Nghề nghiệp Robert N. Noyce tại Khoa cho biết: “Khi chúng tôi bắt đầu dự án này, chẳng hạn như năm 2018, công nghệ sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao để chế tạo nam châm trường cao quy mô lớn vẫn còn sơ khai”. Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân. Hartwig được bổ nhiệm đồng thời tại PSFC và là người đứng đầu nhóm kỹ thuật của tổ chức này, người đứng đầu dự án phát triển nam châm. “Hiện đại nhất là những thử nghiệm nhỏ trên bàn, không thực sự đại diện cho những gì cần thiết để tạo ra một thứ có kích thước đầy đủ. Dự án phát triển nam châm của chúng tôi bắt đầu ở quy mô để bàn và kết thúc ở quy mô đầy đủ trong một khoảng thời gian ngắn,” ông nói thêm, lưu ý rằng nhóm đã chế tạo một nam châm nặng 20.000 pound tạo ra từ trường ổn định, đều chỉ hơn 20 tesla - xa vượt xa bất kỳ lĩnh vực nào như vậy từng được sản xuất ở quy mô lớn.
“Cách tiêu chuẩn để chế tạo những nam châm này là bạn quấn dây dẫn và có lớp cách điện giữa các cuộn dây, đồng thời bạn cần lớp cách nhiệt để xử lý điện áp cao được tạo ra trong các sự kiện bất thường như tắt máy.” Ông nói, việc loại bỏ các lớp cách nhiệt “có lợi thế là hệ thống điện áp thấp. Nó đơn giản hóa đáng kể các quy trình và lịch trình chế tạo.” Nó cũng dành nhiều không gian hơn cho các yếu tố khác, chẳng hạn như làm mát nhiều hơn hoặc nhiều cấu trúc hơn để tăng sức mạnh.
Tổ hợp nam châm là một phiên bản có quy mô nhỏ hơn một chút của những cái sẽ tạo thành buồng hình bánh rán của thiết bị nhiệt hạch SPARC hiện đang được CFS ở Devens, Massachusetts chế tạo. Nó bao gồm 16 tấm, được gọi là bánh kếp, mỗi tấm mang một cuộn băng siêu dẫn xoắn ốc ở một mặt và các kênh làm mát khí heli ở mặt kia.
Nhưng thiết kế không cách nhiệt được coi là rủi ro và có rất nhiều điều phải thực hiện trong chương trình thử nghiệm. Hartwig nói: “Đây là nam châm đầu tiên ở bất kỳ quy mô đủ nào thực sự thăm dò những gì liên quan đến việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một nam châm với cái gọi là công nghệ không cách điện, không xoắn này”. “Cộng đồng thực sự rất ngạc nhiên khi chúng tôi thông báo rằng đó là cuộn dây không cách điện.”
Đẩy đến giới hạn… và xa hơn nữa
Thử nghiệm ban đầu, được mô tả trong các bài báo trước, đã chứng minh rằng quy trình thiết kế và sản xuất không chỉ hoạt động mà còn có độ ổn định cao – điều mà một số nhà nghiên cứu đã nghi ngờ. Hai lần chạy thử nghiệm tiếp theo, cũng được thực hiện vào cuối năm 2021, sau đó đã đẩy thiết bị đến giới hạn bằng cách cố tình tạo ra các điều kiện không ổn định, bao gồm cả việc ngắt hoàn toàn nguồn điện đến có thể dẫn đến hiện tượng quá nhiệt nghiêm trọng. Được gọi là dập tắt, đây được coi là trường hợp xấu nhất đối với hoạt động của nam châm như vậy, có khả năng phá hủy thiết bị.
Hartwig cho biết, một phần sứ mệnh của chương trình thử nghiệm là “thực sự phát nổ và cố ý làm nguội một nam châm quy mô đầy đủ, để chúng tôi có thể thu được dữ liệu quan trọng ở quy mô phù hợp và các điều kiện phù hợp để thúc đẩy khoa học, để xác nhận”. các mã thiết kế, sau đó tháo nam châm ra và xem điều gì đã sai, tại sao nó lại sai và chúng tôi thực hiện lần lặp tiếp theo như thế nào để khắc phục điều đó. … Đó là một cuộc thử nghiệm rất thành công.”
Hartwig cho biết thử nghiệm cuối cùng đó, kết thúc bằng việc làm tan chảy một góc của một trong 16 chiếc bánh kếp, đã tạo ra vô số thông tin mới. Trước hết, họ đã sử dụng nhiều mô hình tính toán khác nhau để thiết kế và dự đoán hiệu suất ở nhiều khía cạnh khác nhau của hiệu suất nam châm, và phần lớn, các mô hình này phù hợp với các dự đoán tổng thể của họ và được xác nhận tốt bằng một loạt thử nghiệm và các phép đo trong thế giới thực. Nhưng khi dự đoán tác động của quá trình dập tắt, các dự đoán của mô hình đã khác nhau nên cần lấy dữ liệu thực nghiệm để đánh giá tính hợp lệ của mô hình.
Ông nói: “Các mô hình có độ chính xác cao nhất mà chúng tôi đã dự đoán gần như chính xác nam châm sẽ nóng lên như thế nào, nó sẽ nóng lên ở mức độ nào khi nó bắt đầu nguội đi và thiệt hại gây ra cho nam châm sẽ ở đâu”. Như được mô tả chi tiết trong một trong những báo cáo mới, “Thử nghiệm đó thực sự đã cho chúng tôi biết chính xác về mặt vật lý đang diễn ra và nó cho chúng tôi biết mô hình nào hữu ích trong tương lai và mô hình nào nên bỏ qua vì chúng không đúng.”
Whyte nói: “Về cơ bản, chúng tôi đã cố tình làm điều tồi tệ nhất có thể đối với cuộn dây sau khi chúng tôi đã kiểm tra tất cả các khía cạnh khác về hiệu suất của cuộn dây. Và chúng tôi phát hiện ra rằng hầu hết cuộn dây vẫn tồn tại mà không bị hư hại gì,” trong khi một khu vực biệt lập vẫn bị tan chảy. “Nó giống như một vài phần trăm thể tích của cuộn dây bị hỏng.” Và điều đó dẫn đến những sửa đổi trong thiết kế được kỳ vọng sẽ ngăn chặn những hư hỏng như vậy đối với nam châm của thiết bị nhiệt hạch thực tế, ngay cả trong những điều kiện khắc nghiệt nhất.
Hartwig nhấn mạnh rằng lý do chính khiến nhóm có thể hoàn thành một thiết kế nam châm lập kỷ lục mới và hoàn hảo như vậy ngay lần đầu tiên với một lịch trình chóng mặt là nhờ vào trình độ kiến thức, chuyên môn và thiết bị sâu rộng được tích lũy. qua nhiều thập kỷ hoạt động của Alcator C-Mod tokamak, Phòng thí nghiệm Nam châm Đắng Francis và các công việc khác được thực hiện tại PSFC. Ông nói: “Điều này đi vào trọng tâm năng lực thể chế của một nơi như thế này”. “Chúng tôi có khả năng, cơ sở hạ tầng, không gian và con người để thực hiện những việc này dưới một mái nhà.”
Ông nói, sự hợp tác với CFS cũng rất quan trọng, khi MIT và CFS kết hợp các khía cạnh mạnh mẽ nhất của một tổ chức học thuật và công ty tư nhân để cùng nhau thực hiện những việc mà cả hai không thể tự mình làm được. “Ví dụ, một trong những đóng góp chính của CFS là tận dụng sức mạnh của một công ty tư nhân để thiết lập và mở rộng chuỗi cung ứng ở mức độ và thời gian chưa từng có đối với vật liệu quan trọng nhất trong dự án: 300 km (186 dặm) đường cao tốc. -chất siêu dẫn nhiệt độ, được mua với sự kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt trong vòng chưa đầy một năm và được tích hợp đúng tiến độ vào nam châm.”
Ông nói, sự hợp tác của hai đội, đội từ MIT và đội từ CFS, cũng rất quan trọng cho sự thành công. “Chúng tôi coi mình là một đội và điều đó giúp chúng tôi có thể làm được những gì chúng tôi đã làm.”
Tham khảo: Số đặc biệt về Chương trình cuộn dây mô hình trường hình xuyến SPARC, Giao dịch của IEEE về tính siêu dẫn ứng dụng .
