L'assieme progettato per la terza prova cavi SULTAN prevede due cavi VIPER HTS da 3 metri in parallelo e collegati con un giunto in rame nella parte inferiore; l'elio criogenico e la corrente elettrica vengono iniettati nella parte superiore. una volta installato in SULTAN. La sovrastruttura esterna fornisce supporto strutturale per reagire agli enormi carichi elettromeccanici laterali generati all'interno dei cavi durante i test. Un aspetto unico di questo design, fornita dai materiali e dall'estensione trapezoidale al piano mediano, è la capacità di deformare assialmente i cavi durante i test per replicare meglio le condizioni che sarebbero vissute dai cavi VIPER all'interno di un magnete ad alto campo. Attestazione:Jose Estrada/PSFC
Gli scienziati hanno a lungo cercato di sfruttare la fusione come fonte di energia inesauribile e priva di carbonio. Negli ultimi anni, la rivoluzionaria tecnologia dei superconduttori ad alta temperatura (HTS) ha dato il via a una nuova visione per ottenere l'energia di fusione pratica. Questo approccio, noto come il percorso ad alto campo per la fusione, mira a generare la fusione in dispositivi compatti in tempi più brevi ea costi inferiori rispetto ad approcci alternativi.
Una sfida tecnica chiave per realizzare questa visione, anche se, ha permesso ai superconduttori HTS di funzionare in modo integrato nello sviluppo di nuovi, magneti superconduttori ad alte prestazioni, che consentirà campi magnetici più elevati rispetto alle precedenti generazioni di magneti, e sono fondamentali per confinare e controllare le reazioni del plasma.
Ora un team guidato dal Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT e dalla società spin-out del MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS), ha sviluppato e ampiamente testato una tecnologia di cavo HTS che può essere scalata e progettata nei magneti ad alte prestazioni. La ricerca del team è stata pubblicata il 7 ottobre in Scienza e tecnologia dei superconduttori . I ricercatori includevano l'assistente professore del MIT e il ricercatore principale Zachary Hartwig; Rui F. Vieira, vicedirettore tecnico del PSFC e altro personale tecnico e ingegneristico chiave del PSFC; CFS Chief Science Officer Brandon Sorbom Ph.D. '17 e altri ingegneri CFS; e scienziati del CERN di Ginevra, Svizzera, e al Robinson Research Institute della Victoria University di Wellington, Nuova Zelanda.
Questo sviluppo segue un recente impulso al percorso ad alto campo, quando 47 ricercatori di 12 istituzioni hanno pubblicato sette articoli sul Journal of Plasma Physics, mostrando che un dispositivo di fusione ad alto campo, chiamato SPARC, costruito con tali magneti produrrebbe energia netta, più energia di quanta ne consumi, qualcosa mai dimostrato in precedenza.
"La tecnologia via cavo per SPARC è un pezzo importante del puzzle mentre lavoriamo per accelerare la tempistica del raggiungimento dell'energia di fusione, "dice Hartwig, assistente professore di scienze e ingegneria nucleare, e capo del gruppo di ricerca presso il PSFC. "Se abbiamo successo in quello che stiamo facendo e in altre tecnologie, l'energia da fusione inizierà a fare la differenza nella mitigazione dei cambiamenti climatici, non tra 100 anni, ma tra 10 anni".
Un super cavo
La tecnologia innovativa descritta nel documento è un cavo superconduttore che conduce elettricità senza resistenza o generazione di calore e che non si degrada in condizioni meccaniche estreme, elettrico, e condizioni termiche. VIPER marchiato (un acronimo che sta per Vacuum Pressure Impregnated, Isolato, parzialmente trasposto, estruso, e arrotolata), è costituito da sottili nastri di acciaio prodotti commercialmente rivestiti con composto HTS - ittrio-bario-ossido di rame - che sono confezionati in un insieme di componenti in rame e acciaio per formare il cavo. refrigerante criogenico, come l'elio supercritico, può fluire facilmente attraverso il cavo per rimuovere il calore e mantenere il cavo freddo anche in condizioni difficili.
"Uno dei nostri progressi è stato trovare un modo per saldare il nastro HTS all'interno del cavo, rendendolo di fatto una struttura monolitica dove tutto è termicamente connesso, " dice Sorbom. Eppure VIPER può anche essere modellato in colpi di scena, utilizzando giunti per creare "quasi qualsiasi tipo di geometria, " aggiunge. Questo rende il cavo un materiale da costruzione ideale per l'avvolgimento in bobine in grado di generare e contenere campi magnetici di enorme forza, come quelli necessari per realizzare dispositivi di fusione sostanzialmente più piccoli dei dispositivi di fusione a energia netta attualmente previsti.
A sinistra:i membri del Cable Team (da sinistra a destra) Zach Hartwig, Filippo Michele, Vinny Fritto, e Brandon Sorbom davanti al banco di prova SULTAN a Villagen, Svizzera. In alto al centro:una vista nel pozzetto di prova durante l'installazione del cavo in SULTAN. A destra:un gruppo di cavi contiene due cavi VIPER HTS da 3 metri per i test SULTAN confezionati all'interno di una sovrastruttura per il supporto meccanico. Credito:Zach Hartwig
Resistente e robusto
"La cosa fondamentale che possiamo fare con il cavo VIPER è creare un campo magnetico da due a tre volte più forte della dimensione richiesta rispetto all'attuale generazione di tecnologia dei magneti superconduttori, " Afferma Hartwig. L'ampiezza del campo magnetico nei tokamak gioca un forte ruolo non lineare nel determinare le prestazioni del plasma. Ad esempio, la densità di potenza di fusione scala come campo magnetico alla quarta potenza:raddoppiando il campo aumenta la potenza di fusione di 16 volte o, al contrario, la stessa potenza di uscita della fusione può essere ottenuta in un dispositivo 16 volte più piccolo in volume.
"Nello sviluppo di magneti ad alto campo per la fusione, I cavi HTS sono un ingrediente essenziale, e sono mancati, "dice Soren Prestemon, direttore del programma di sviluppo dei magneti degli Stati Uniti presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, che non è stato coinvolto in questa ricerca. "VIPER è una svolta nell'area dell'architettura dei cavi, probabilmente il primo candidato ad essere dimostrato praticabile per la fusione, e consentirà il fondamentale passo avanti verso la dimostrazione in un reattore a fusione".
La tecnologia VIPER presenta anche un potente approccio a un problema particolare nel campo dei magneti superconduttori, chiamato un quench, "che ha terrorizzato gli ingegneri da quando hanno iniziato a costruire magneti superconduttori, " dice Hartwig. Un quench è un drastico aumento della temperatura che si verifica quando i cavi freddi non possono più condurre corrente elettrica senza alcuna resistenza. Quando si verifica un quench, invece di generare quasi zero calore nello stato superconduttore, la corrente elettrica genera un notevole riscaldamento resistivo nel cavo.
"Il rapido aumento della temperatura può potenzialmente danneggiare o distruggere il magnete se la corrente elettrica non viene interrotta, " dice Hartwig. "Vogliamo evitare questa situazione o, altrimenti, almeno sappilo il più rapidamente e certamente possibile."
Il team ha incorporato due tipi di tecnologia in fibra ottica di rilevamento della temperatura sviluppata dai collaboratori del CERN e del Robinson Research Institute. Le fibre hanno mostrato, per la prima volta su cavi HTS a grandezza naturale e in condizioni rappresentative di magneti di fusione ad alto campo magnetico, rilevamento sensibile e ad alta velocità delle variazioni di temperatura lungo il cavo per monitorare l'inizio dell'estinzione.
Un altro risultato chiave è stato il successo dell'incorporazione di prodotti facilmente fabbricabili, bassa resistenza elettrica, e giunti meccanicamente robusti tra i cavi VIPER. I giunti superconduttori sono spesso complessi, impegnativo da realizzare, e più probabilità di guastarsi rispetto ad altre parti di un magnete; VIPER è stato progettato per eliminare questi problemi. I giunti VIPER hanno l'ulteriore vantaggio di essere smontabili, il che significa che possono essere smontati e riutilizzati senza alcun impatto sulle prestazioni.
Prestemon osserva che l'architettura innovativa del cavo ha un impatto diretto sulle sfide del mondo reale nel funzionamento dei reattori a fusione del futuro. "In un vero e proprio impianto commerciale per la produzione di energia da fusione, il calore intenso e le radiazioni in profondità all'interno del reattore richiederanno sostituzioni di componenti di routine, ", dice. "Essere in grado di smontare queste giunture e rimetterle insieme è un passo significativo per rendere la fusione una proposta conveniente".
I 12 cavi VIPER che il team di Hartwig ha costruito, che corre da uno a 12 metri di lunghezza, sono stati valutati con prove di flessione, migliaia di cicli meccanici "on-off" improvvisi, cicli termici criogenici multipli, e dozzine di eventi tipo quench per simulare il tipo di condizioni punitive incontrate nei magneti di un dispositivo di fusione. Il gruppo ha completato con successo quattro campagne di test di più settimane in quattro mesi presso la struttura SULTAN, un centro leader per la valutazione dei cavi superconduttori gestito dallo Swiss Plasma Center, affiliato all'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in Svizzera.
"Questo tasso senza precedenti di test sui cavi HTS al SULTAN mostra la velocità con cui la tecnologia può essere avanzata da un team eccezionale con la mentalità di andare veloce, la volontà di rischiare, e le risorse per eseguire, " dice Hartwig. È un sentimento che funge da fondamento del progetto SPARC.
Il team SPARC continua a migliorare il cavo VIPER e si sta muovendo verso la prossima pietra miliare del progetto a metà del 2021:"Costruiremo una bobina modello multi-ton che sarà simile alle dimensioni di un magnete a grandezza naturale per SPARC, " afferma Sorbom. Queste attività di ricerca continueranno a far progredire le tecnologie fondamentali dei magneti per SPARC e consentiranno la dimostrazione dell'energia netta dalla fusione, un risultato chiave che segnala la fusione è una tecnologia energetica praticabile. "Sarà un momento spartiacque per l'energia da fusione, "dice Hartwig.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
