Следующая статья была переведена с помощью переводчика искусственного интеллекта.
Проект, разработанный в Массачусетском технологическом институте, достиг значительного прогресса на пути к термоядерной энергии
Новый сверхпроводящий магнит бьет рекорды напряженности магнитного поля, прокладывая путь к практической, коммерческой, безуглеродной энергии.
Этот момент готовился три года, в течение которых велись интенсивные исследования и проектные работы: 5 сентября впервые большой высокотемпературный сверхпроводящий электромагнит был разогнан до напряженности поля в 20 тесла - самого мощного магнитного поля такого рода, когда-либо созданного на Земле. По словам руководителей проекта из Массачусетского технологического института и компании-стартапа Commonwealth Fusion Systems (CFS), эта успешная демонстрация помогает устранить самую большую неопределенность в стремлении построить первую в мире термоядерную электростанцию, которая сможет производить больше энергии, чем потребляет.
По их словам, этот прогресс открывает путь к созданию практичных, недорогих, безуглеродных электростанций, которые могли бы внести значительный вклад в ограничение последствий глобального изменения климата.
"Термоядерный синтез во многих отношениях является окончательным источником чистой энергии", - говорит Мария Зубер, вице-президент Массачусетского технологического института по научным исследованиям и профессор геофизики Э. А. Грисволд. "Количество доступной энергии действительно меняет ситуацию". Топливо, используемое для создания термоядерной энергии, происходит из воды, а "Земля полна воды - это практически неограниченный ресурс. Мы просто должны понять, как его использовать".
Разработка нового магнита рассматривается как самое большое технологическое препятствие на пути к этому; его успешная работа теперь открывает дверь для демонстрации термоядерного синтеза в лаборатории на Земле, которая проводилась в течение десятилетий с ограниченным прогрессом. Теперь, когда технология магнита успешно продемонстрирована, сотрудничество MIT-CFS находится на пути к созданию первого в мире термоядерного устройства, способного создавать и удерживать плазму, которая производит больше энергии, чем потребляет. Создание этого демонстрационного устройства под названием SPARC планируется завершить в 2025 году.
"Проблемы, связанные с осуществлением термоядерного синтеза, носят как технический, так и научный характер", - говорит Деннис Уайт, директор Центра плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института, который сотрудничает с CFS в разработке SPARC. Но когда технология будет доказана, - говорит он, - это будет неисчерпаемый, безуглеродный источник энергии, который можно будет использовать в любом месте и в любое время. Это действительно принципиально новый источник энергии".
Уайт, который является профессором инженерного факультета Hitachi America, говорит, что демонстрация, проведенная на этой неделе, представляет собой важную веху, позволяющую ответить на самые большие вопросы, остающиеся относительно осуществимости дизайна SPARC. "Я считаю, что это действительно переломный момент в науке и технологии термоядерного синтеза", - говорит он.
---
Солнце в бутылке
Термоядерный синтез - это процесс, который питает Солнце: слияние двух маленьких атомов для получения более крупного атома с выделением огромного количества энергии. Но этот процесс требует температуры, намного превышающей ту, которую может выдержать любой твердый материал. Чтобы получить источник энергии Солнца на Земле, необходим способ захвата и удержания чего-то настолько горячего - 100 000 000 градусов и более - путем подвешивания его таким образом, чтобы предотвратить его контакт с чем-либо твердым.
Это достигается с помощью интенсивных магнитных полей, которые образуют своего рода невидимую бутылку для удержания горячего бурлящего супа из протонов и электронов, называемого плазмой. Поскольку частицы имеют электрический заряд, они находятся под сильным контролем магнитных полей, и наиболее широко используемой конфигурацией для их удержания является устройство в форме пончика, называемое токамаком. В большинстве этих устройств магнитные поля создаются с помощью обычных электромагнитов из меди, но в новейшей и самой большой версии, строящейся во Франции под названием ITER, используются так называемые низкотемпературные сверхпроводники.
Главной инновацией в проекте термоядерного синтеза MIT-CFS является использование высокотемпературных сверхпроводников, которые позволяют создать гораздо более сильное магнитное поле в меньшем пространстве. Эта конструкция стала возможной благодаря новому виду сверхпроводящего материала, который стал коммерчески доступным несколько лет назад. Изначально идея возникла как классный проект на занятиях по ядерной инженерии, которые вел Уайт. Идея показалась настолько многообещающей, что ее продолжали развивать в течение нескольких следующих итераций этого курса, что привело к созданию концепции дизайна электростанции ARC в начале 2015 года. SPARC, спроектированная примерно в два раза меньше ARC, является испытательным стендом для проверки концепции перед строительством полноразмерной станции, вырабатывающей электроэнергию.
До сих пор единственным способом добиться колоссально мощных магнитных полей, необходимых для создания магнитной "бутылки", способной удерживать плазму, нагретую до сотен миллионов градусов, было делать их все больше и больше. Но новый высокотемпературный сверхпроводниковый материал, выполненный в виде плоской ленты, похожей на ленту, позволяет достичь более высокого магнитного поля в меньшем устройстве, равного по мощности тому, которое было бы достигнуто в аппарате, в 40 раз большем по объему при использовании обычных низкотемпературных сверхпроводящих магнитов. Этот скачок в соотношении мощности и размера является ключевым элементом революционного дизайна ARC.
Использование новых высокотемпературных сверхпроводящих магнитов позволяет применить десятилетия экспериментальных знаний, полученных в ходе эксплуатации экспериментов на токамаках, включая серию Alcator Массачусетского технологического института. Новый подход под руководством Зака Хартвига, главного исследователя MIT и доцента кафедры ядерных наук и инженерии имени Роберта Н. Нойса, использует хорошо известную конструкцию, но уменьшает все примерно до половины линейного размера и достигает тех же условий эксплуатации благодаря более высокому магнитному полю.
В серии научных работ, опубликованных в прошлом году, были изложены физические основы и с помощью моделирования подтверждена жизнеспособность нового термоядерного устройства. Эти работы показали, что если магниты будут работать так, как ожидается, то вся термоядерная система действительно должна вырабатывать чистую мощность, впервые за десятилетия исследований в области термоядерного синтеза.
Мартин Гринвальд, заместитель директора и старший научный сотрудник PSFC, говорит, что в отличие от некоторых других проектов термоядерных экспериментов, "ниша, которую мы заполняли, состояла в том, чтобы использовать традиционную физику плазмы, традиционные конструкции токамаков и инженерные решения, но привнести в них новую технологию магнитов. Таким образом, мы не требовали инноваций в полудюжине различных областей. Мы просто внедряли инновации в магнит, а затем применяли базу знаний, накопленных за последние десятилетия".
Это сочетание научно обоснованных принципов проектирования и революционной силы магнитного поля позволяет создать установку, которая может быть экономически жизнеспособной и быстро развиваться. "Это важный момент", - говорит Боб Мумгаард, генеральный директор CFS. "Теперь у нас есть платформа, которая как с научной точки зрения очень хорошо развита, благодаря десятилетиям исследований этих машин, так и с коммерческой точки зрения очень интересна. Она позволяет нам создавать устройства быстрее, меньше и с меньшими затратами", - говорит он об успешной демонстрации магнита.
---
Доказательство концепции
Для воплощения этой новой концепции магнита в жизнь потребовалось три года интенсивной работы над дизайном, налаживанием цепочек поставок и отработкой методов производства магнитов, которые, возможно, придется производить тысячами.
"Мы создали первый в своем роде сверхпроводящий магнит. Это потребовало большой работы по созданию уникальных производственных процессов и оборудования. В результате сейчас мы хорошо подготовлены к наращиванию производства SPARC", - говорит Джой Данн, руководитель операционного отдела CFS. "Мы начали с физической модели и CAD-проекта и провели множество разработок и прототипов, чтобы превратить проект на бумаге в настоящий физический магнит". Это потребовало создания производственных мощностей и испытательного оборудования, включая итерационный процесс с несколькими поставщиками сверхпроводящей ленты, чтобы помочь им достичь способности производить материал, отвечающий необходимым спецификациям - и для которого CFS в настоящее время является крупнейшим в мире пользователем.
По ее словам, они параллельно работали с двумя возможными конструкциями магнитов, обе из которых в итоге соответствовали проектным требованиям. "Все сводилось к тому, какой из них произведет революцию в создании сверхпроводящих магнитов, и какой из них легче построить". По ее словам, принятый ими дизайн явно выделялся в этом отношении.
В этом испытании новый магнит постепенно увеличивали мощность в несколько этапов, пока не достигли цели - магнитного поля в 20 тесла - самой высокой напряженности поля для высокотемпературного сверхпроводящего термоядерного магнита. Магнит состоит из 16 пластин, сложенных вместе, каждая из которых сама по себе была бы самым мощным высокотемпературным сверхпроводящим магнитом в мире.
"Три года назад мы объявили о плане, - говорит Мумгаард, - построить магнит мощностью 20 тесла, который понадобится нам для будущих термоядерных установок". По его словам, эта цель была достигнута точно в срок, даже несмотря на пандемию.
Ссылаясь на серию работ по физике, опубликованных в прошлом году, Брэндон Сорбом, главный научный сотрудник CFS, говорит: "В основном в этих работах делается вывод, что если мы построим магнит, то вся физика будет работать в SPARC. Таким образом, эта демонстрация отвечает на вопрос: Смогут ли они построить магнит? Это очень захватывающее время! Это огромная веха".
Следующим шагом станет строительство SPARC, уменьшенной версии запланированной электростанции ARC. Успешная работа SPARC продемонстрирует, что полномасштабная коммерческая термоядерная электростанция практически осуществима, что откроет путь для быстрого проектирования и строительства этого новаторского устройства.
Зубер говорит, что "теперь я искренне оптимистичен в том, что SPARC может достичь чистой положительной энергии, основываясь на продемонстрированных характеристиках магнитов. Следующим шагом будет расширение масштаба, чтобы построить настоящую электростанцию. Впереди еще много проблем, не последняя из которых - разработка конструкции, обеспечивающей надежную и устойчивую работу. И, понимая, что цель здесь - коммерциализация, еще одной важной проблемой будет экономическая. Как спроектировать эти электростанции, чтобы их строительство и внедрение было экономически эффективным?".
Когда-нибудь в надежде на будущее, когда тысячи термоядерных электростанций будут питать чистые электрические сети по всему миру, Зубер говорит: "Я думаю, мы оглянемся назад и подумаем, как мы этого добились, и я думаю, что демонстрация технологии магнита для меня была тем моментом, когда я поверил, что, вау, мы действительно можем это сделать".
Успешное создание термоядерного устройства, вырабатывающего энергию, стало бы огромным научным достижением, отмечает Зубер. Но это не главное. "Никто из нас сейчас не пытается выиграть трофеи. Мы пытаемся сохранить планету пригодной для жизни".
https://news.mit.edu/2021/MIT-CFS-major-advance-toward-fusion-energy-0908
Венгерский
Английский
Немецкий
Итальянский
Русский
Испанский
Французский
Китайский
Польский
Румынский