Nelle ore precedenti l'alba del 5 settembre 2021, gli ingegneri hanno raggiunto un traguardo importante nei laboratori del Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT, quando un nuovo tipo di magnete, realizzato con materiale superconduttore ad alta temperatura, ha raggiunto un record mondiale intensità del campo magnetico di 20 tesla per un magnete su larga scala. Si tratta dell'intensità necessaria per costruire una centrale elettrica a fusione che dovrebbe produrre una produzione netta di energia e potenzialmente inaugurare un'era di produzione di energia praticamente illimitata.
Il test è stato immediatamente dichiarato un successo, avendo soddisfatto tutti i criteri stabiliti per la progettazione del nuovo dispositivo di fusione, denominato SPARC, per il quale i magneti rappresentano la tecnologia abilitante fondamentale. I tappi dello champagne stapparono mentre lo stanco team di sperimentatori, che aveva lavorato a lungo e duramente per rendere possibile il risultato, celebrava il proprio risultato.
Ma questo era ben lungi dall’essere la fine del processo. Nei mesi successivi, il team ha smontato e ispezionato i componenti del magnete, ha analizzato attentamente i dati provenienti da centinaia di strumenti che registravano i dettagli dei test e ha eseguito due ulteriori test sullo stesso magnete, spingendolo infine al suo massimo. punto di rottura per conoscere i dettagli di eventuali modalità di guasto.
Tutto questo lavoro è ora culminato in un rapporto dettagliato dei ricercatori della Commonwealth Fusion Systems (CFS), società spinout del PSFC e del MIT, pubblicato in una raccolta di sei articoli sottoposti a peer review in un'edizione speciale del numero di marzo di IEEE Transactions. sulla superconduttività applicata .
Insieme, i documenti descrivono la progettazione e la fabbricazione del magnete e dell'attrezzatura diagnostica necessaria per valutarne le prestazioni, nonché le lezioni apprese dal processo. Nel complesso, il team ha scoperto che le previsioni e la modellazione computerizzata erano esatte, verificando che gli elementi di progettazione unici del magnete potessero servire come base per una centrale elettrica a fusione.
Il successo del test del magnete, afferma Dennis Whyte, professore di ingegneria di Hitachi America, recentemente dimessosi dalla carica di direttore del PSFC, è stata "la cosa più importante, secondo me, negli ultimi 30 anni di ricerca sulla fusione".>
Prima della dimostrazione del 5 settembre, i migliori magneti superconduttori disponibili erano abbastanza potenti da ottenere potenzialmente energia da fusione, ma solo a dimensioni e costi che non avrebbero mai potuto essere pratici o economicamente sostenibili. Poi, quando i test hanno dimostrato la praticità di un magnete così potente con dimensioni notevolmente ridotte, "da un giorno all'altro, il costo per watt di un reattore a fusione è sostanzialmente cambiato di un fattore di quasi 40 in un giorno", afferma Whyte.
"Ora la fusione ha una possibilità", aggiunge Whyte. I Tokamak, il progetto più utilizzato per i dispositivi sperimentali a fusione, "hanno la possibilità, secondo me, di essere economici perché hai un cambiamento quantico nella tua capacità, con le note regole della fisica del confinamento, di essere in grado di ridurre notevolmente la dimensioni e il costo degli oggetti che renderebbero possibile la fusione."
I dati completi e l'analisi del test del magnete del PSFC, come dettagliato nei sei nuovi documenti, hanno dimostrato che i piani per una nuova generazione di dispositivi di fusione - quello progettato da MIT e CFS, così come progetti simili da altre società di fusione commerciale - sono costruiti su solide basi scientifiche.
La fusione, il processo di combinazione degli atomi leggeri per formare atomi più pesanti, dà energia al sole e alle stelle, ma sfruttare questo processo sulla Terra si è rivelato una sfida ardua, con decenni di duro lavoro e molti miliardi di dollari spesi in dispositivi sperimentali.
L’obiettivo a lungo cercato, ma mai ancora raggiunto, è quello di costruire una centrale elettrica a fusione che produca più energia di quanta ne consumi. Una centrale di questo tipo potrebbe produrre elettricità senza emettere gas serra durante il funzionamento e generando pochissimi rifiuti radioattivi. Il combustibile per la fusione, una forma di idrogeno che può essere derivata dall'acqua di mare, è praticamente illimitato.
Ma per farlo funzionare è necessario comprimere il carburante a temperature e pressioni straordinariamente elevate, e poiché nessun materiale conosciuto potrebbe resistere a tali temperature, il carburante deve essere trattenuto da campi magnetici estremamente potenti. La produzione di campi così forti richiede magneti superconduttori, ma tutti i precedenti magneti a fusione sono stati realizzati con un materiale superconduttore che richiede temperature gelide di circa 4 gradi sopra lo zero assoluto (4 Kelvin o -270°C).
Negli ultimi anni, ai magneti a fusione è stato aggiunto un nuovo materiale, soprannominato REBCO, ossido di rame e bario delle terre rare, che consente loro di funzionare a 20 Kelvin, una temperatura che, nonostante sia solo 16 Kelvin più calda, apporta notevoli vantaggi in termini di temperatura. delle proprietà dei materiali e dell'ingegneria pratica.
Sfruttare questo nuovo materiale superconduttore a temperatura più elevata non era solo una questione di sostituirlo nei progetti di magneti esistenti. Invece, "è stata una rielaborazione da zero di quasi tutti i principi utilizzati per costruire magneti superconduttori", afferma Whyte. Il nuovo materiale REBCO è "straordinariamente diverso dalla precedente generazione di superconduttori. Non ti limiterai ad adattarti e sostituire, ma innoverai da zero". I nuovi articoli in IEEE Transactions on Applied Superconductivity descrivere i dettagli di quel processo di riprogettazione, ora che è in vigore la protezione brevettuale.
Un'innovazione chiave:nessun isolamento
Una delle innovazioni più straordinarie, che fece sì che molti altri nel campo fossero scettici riguardo alle sue possibilità di successo, fu l'eliminazione dell'isolamento attorno ai sottili nastri piatti di nastro superconduttore che formavano il magnete. Come praticamente tutti i cavi elettrici, i magneti superconduttori convenzionali sono completamente protetti da materiale isolante per evitare cortocircuiti tra i cavi. Ma nel nuovo magnete il nastro era lasciato completamente scoperto; gli ingegneri si sono affidati alla conduttività molto maggiore di REBCO per mantenere la corrente che scorreva attraverso il materiale.
"Quando abbiamo iniziato questo progetto, diciamo nel 2018, la tecnologia che prevede l'utilizzo di superconduttori ad alta temperatura per costruire magneti ad alto campo su larga scala era agli inizi", afferma Zach Hartwig, professore di sviluppo professionale di Robert N. Noyce presso il dipartimento. di Scienza e Ingegneria Nucleare. Hartwig ha un incarico presso il PSFC ed è a capo del gruppo di ingegneri, che ha guidato il progetto di sviluppo del magnete.
"Lo stato dell'arte erano piccoli esperimenti da banco, non propriamente rappresentativi di ciò che serve per costruire un oggetto a grandezza naturale. Il nostro progetto di sviluppo del magnete è iniziato su scala da banco ed è finito su scala reale in un breve lasso di tempo", aggiunge , notando che il team ha costruito un magnete da 20.000 libbre che produceva un campo magnetico costante e uniforme di poco più di 20 tesla, ben oltre qualsiasi campo simile mai prodotto su larga scala.
"Il modo standard per costruire questi magneti è avvolgere il conduttore e avere un isolamento tra gli avvolgimenti, ed è necessario un isolamento per gestire le alte tensioni generate durante eventi anormali come uno spegnimento." L'eliminazione degli strati di isolamento, afferma, "ha il vantaggio di essere un sistema a bassa tensione. Semplifica notevolmente i processi e i tempi di fabbricazione". Inoltre lascia più spazio ad altri elementi, come un maggiore raffreddamento o una maggiore struttura per la resistenza.
Il gruppo magnetico è una versione leggermente più piccola di quelli che formeranno la camera a forma di ciambella del dispositivo di fusione SPARC attualmente in costruzione da CFS a Devens, Massachusetts. È composto da 16 piastre, chiamate pancake, ciascuna recante un avvolgimento a spirale del nastro superconduttore da un lato e canali di raffreddamento per il gas elio dall'altro.
Ma il design senza isolamento era considerato rischioso e molto dipendeva dal programma di test. "Questo è stato il primo magnete su scala sufficiente a sondare realmente ciò che è coinvolto nella progettazione, costruzione e test di un magnete con la cosiddetta tecnologia senza isolamento e senza torsione", afferma Hartwig. "È stata una vera sorpresa per la comunità quando abbiamo annunciato che si trattava di una bobina senza isolamento."
Il test iniziale, descritto in articoli precedenti, ha dimostrato che il processo di progettazione e produzione non solo funzionava ma era anche altamente stabile, cosa su cui alcuni ricercatori avevano dubitato. I successivi due test, eseguiti anch’essi alla fine del 2021, hanno poi spinto il dispositivo al limite creando deliberatamente condizioni instabili, inclusa un’interruzione completa dell’alimentazione in ingresso che può portare a un surriscaldamento catastrofico. Conosciuto come quenching, questo è considerato lo scenario peggiore per il funzionamento di tali magneti, con il rischio di distruggere l'apparecchiatura.
Parte della missione del programma di test, dice Hartwig, era "di spegnersi e spegnere intenzionalmente un magnete a grandezza naturale, in modo da poter ottenere i dati critici alla giusta scala e nelle giuste condizioni per far avanzare la scienza, per convalidare i codici di progettazione, quindi smontare il magnete e vedere cosa è andato storto, perché è andato storto e come possiamo procedere con la successiva iterazione per risolverlo... È stato un test molto riuscito."
Il test finale, che si è concluso con lo scioglimento di un angolo di uno dei 16 pancake, ha prodotto moltissime nuove informazioni, afferma Hartwig. Per prima cosa, avevano utilizzato diversi modelli computazionali per progettare e prevedere le prestazioni di vari aspetti delle prestazioni del magnete e, per la maggior parte, i modelli concordavano nelle loro previsioni generali e erano ben convalidati dalla serie di test e misurazioni del mondo reale. Ma nel prevedere l'effetto dell'estinzione, le previsioni dei modelli divergevano, quindi è stato necessario ottenere i dati sperimentali per valutare la validità dei modelli.
"I modelli ad alta fedeltà che avevamo previsto quasi esattamente come si sarebbe riscaldato il magnete, in quale misura si sarebbe riscaldato quando avesse iniziato a spegnersi e dove sarebbe stato il danno risultante al magnete", dice. Come descritto in dettaglio in uno dei nuovi rapporti, "Quel test in realtà ci ha detto esattamente la fisica che stava accadendo, e ci ha detto quali modelli erano utili in futuro e quali lasciare nel dimenticatoio perché non erano giusti."
Whyte afferma:"Fondamentalmente abbiamo fatto la cosa peggiore possibile a una bobina, di proposito, dopo aver testato tutti gli altri aspetti delle prestazioni della bobina. E abbiamo scoperto che la maggior parte della bobina è sopravvissuta senza danni", mentre un'area isolata ha subito alcuni danni. fusione. "È come se una piccola percentuale del volume della bobina fosse danneggiata." E ciò ha portato a revisioni del progetto che dovrebbero prevenire tali danni ai magneti del dispositivo di fusione, anche nelle condizioni più estreme.
Hartwig sottolinea che uno dei motivi principali per cui il team è riuscito a realizzare un nuovo progetto di magnete da record così radicale, e a farlo bene fin dalla prima volta e con un programma vertiginoso, è stato grazie al profondo livello di conoscenza, competenza e attrezzatura accumulata. nel corso di decenni di attività del tokamak Alcator C-Mod, del Francis Bitter Magnet Laboratory e di altri lavori svolti presso il PSFC. "Questo va al cuore delle capacità istituzionali di un posto come questo", dice. "Avevamo la capacità, l'infrastruttura, lo spazio e le persone per fare queste cose sotto lo stesso tetto."
Anche la collaborazione con CFS è stata fondamentale, dice, poiché il MIT e il CFS hanno combinato gli aspetti più potenti di un’istituzione accademica e di un’azienda privata per fare insieme cose che nessuno dei due avrebbe potuto fare da solo. "Ad esempio, uno dei maggiori contributi di CFS è stato quello di sfruttare il potere di un'azienda privata per stabilire e ampliare una catena di fornitura a un livello e una tempistica senza precedenti per il materiale più critico del progetto:300 chilometri (186 miglia) di alta -superconduttore di temperatura, che è stato acquistato con un rigoroso controllo di qualità in meno di un anno e integrato nei tempi previsti nel magnete."
Fondamentale per il successo è stata anche l’integrazione dei due team, quello del MIT e quello del CFS. "Ci consideravamo una squadra e questo ci ha permesso di realizzare ciò che abbiamo fatto."
Ulteriori informazioni: Articoli:numero speciale sul programma SPARC Toroidal Field Model Coil
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
