Az alábbi cikk MI fordító segítségével lett lefordítva.
Az MIT által tervezett projekt jelentős előrelépést ért el a fúziós energia felé vezető úton
Az új szupravezető mágnes megdönti a mágneses térerősség rekordját, megnyitva az utat a gyakorlati, kereskedelmi célú, szénmentes energia előállítása előtt.
Ez egy három évig tartó, intenzív kutatáson és tervezési munkán alapuló folyamat volt: Szeptember 5-én először sikerült egy nagyméretű, magas hőmérsékletű szupravezető elektromágnest 20 tesla térerősségűre növelni, ami a Földön valaha létrehozott legerősebb ilyen jellegű mágneses mező. Ez a sikeres demonstráció segít feloldani a legnagyobb bizonytalanságot a világ első olyan fúziós erőművének megépítésében, amely több energiát képes termelni, mint amennyit fogyaszt, állítják a projekt vezetői az MIT-nél és a Commonwealth Fusion Systems (CFS) nevű startup cégnél.
Ez az előrelépés szerintük megnyitja az utat a régóta áhított gyakorlatias, olcsó, szénmentes erőművek létrehozása előtt, amelyek jelentősen hozzájárulhatnak a globális éghajlatváltozás hatásainak korlátozásához.
"A fúzió sok szempontból a végső tiszta energiaforrás" - mondja Maria Zuber, az MIT kutatási alelnöke és E. A. Griswold geofizika professzor. "A rendelkezésre álló energia mennyisége tényleg megváltoztatja a játékszabályokat". A fúziós energia előállításához használt üzemanyag vízből származik, és "a Föld tele van vízzel - ez egy szinte korlátlan erőforrás. Csak ki kell találnunk, hogyan használjuk fel".
Az új mágnes kifejlesztését tekintik a legnagyobb technológiai akadálynak ennek megvalósítása előtt; sikeres működése most megnyitja az utat a fúzió földi laboratóriumban történő bemutatásához, amelyet évtizedek óta próbálnak megvalósítani, de csak korlátozott előrelépésekkel. A mágneses technológia sikeres demonstrációjával az MIT-CFS együttműködés jó úton halad a világ első olyan fúziós berendezésének megépítése felé, amely képes olyan plazmát létrehozni és elzárni, amely több energiát termel, mint amennyit fogyaszt. A SPARC nevű demonstrációs eszköz a tervek szerint 2025-re készül el.
"A fúzió megvalósításának kihívásai technikai és tudományos kihívások egyaránt vannak" - mondja Dennis Whyte, az MIT Plazmatudományi és Fúziós Központjának igazgatója, aki a CFS-szel együtt dolgozik a SPARC kifejlesztésén. De ha a technológia egyszer bizonyítottá válik - mondja -, "ez egy kimeríthetetlen, szénmentes energiaforrás, amelyet bárhol és bármikor bevethetünk. Ez valóban egy alapvetően új energiaforrás".
Whyte, aki a Hitachi America mérnöki professzora, azt mondja, hogy az e heti demonstráció jelentős mérföldkő, amely a SPARC kialakításának megvalósíthatóságával kapcsolatban még fennálló legnagyobb kérdésekre ad választ. "Úgy vélem, ez valóban vízválasztó pillanat a fúziós tudomány és technológia területén" - mondja.
---
A nap a palackban
A fúzió az a folyamat, amely a Napot működteti: két kis atom egyesülése egy nagyobb atommá, amely óriási mennyiségű energiát szabadít fel. A folyamathoz azonban olyan hőmérsékletre van szükség, amelyet semmilyen szilárd anyag nem bír el. Ahhoz, hogy a Nap energiaforrását itt a Földön is megragadhassuk, szükség van egy olyan módszerre, amellyel ilyen forró - 100 000 000 fokos vagy annál is magasabb - anyagot úgy tudunk befogni és tárolni, hogy azt olyan módon függesztjük fel, hogy az ne érintkezhessen semmilyen szilárd anyaggal.
Ezt intenzív mágneses mezőkkel érik el, amelyek egyfajta láthatatlan palackot alkotnak a protonok és elektronok forró, kavargó levesének, az úgynevezett plazmának a befogadására. Mivel a részecskéknek elektromos töltésük van, a mágneses terek erősen irányítják őket, és a legelterjedtebb konfiguráció, amelyet a részecskék befogadására használnak, egy fánk alakú eszköz, az úgynevezett tokamak. A legtöbb ilyen berendezés mágneses terét hagyományos, rézből készült elektromágnesekkel állították elő, de a Franciaországban épülő legújabb és legnagyobb változat, az ITER úgynevezett alacsony hőmérsékletű szupravezetőket használ.
Az MIT-CFS fúziós tervének fő újítása a magas hőmérsékletű szupravezetők használata, amelyek kisebb térben sokkal erősebb mágneses mezőt tesznek lehetővé. Ezt a konstrukciót egy újfajta szupravezető anyag tette lehetővé, amely néhány éve vált kereskedelmi forgalomban elérhetővé. Az ötlet eredetileg a Whyte által tanított nukleáris mérnöki órán született meg egy osztályprojektként. Az ötlet annyira ígéretesnek tűnt, hogy az óra következő néhány ismétlése során továbbfejlesztették, ami 2015 elején az ARC erőmű tervezési koncepciójához vezetett. A SPARC, amelyet úgy terveztek, hogy körülbelül fele akkora legyen, mint az ARC, a teljes méretű, energiatermelő erőmű megépítése előtt a koncepció tesztelésére szolgál.
Eddig csak úgy lehetett elérni a több százmillió fokra felmelegített plazma befogadására alkalmas mágneses "palack" létrehozásához szükséges kolosszális erejű mágneses tereket, hogy egyre nagyobbra és nagyobbra növelték azokat. Az új magas hőmérsékletű szupravezető anyag azonban, amely lapos, szalagszerű kialakításban készül, lehetővé teszi, hogy kisebb eszközben is nagyobb mágneses mezőt érjenek el, amely megegyezik azzal a teljesítménnyel, amelyet egy 40-szer nagyobb térfogatú készülékben érnének el a hagyományos alacsony hőmérsékletű szupravezető mágnesek használatával. Ez a teljesítmény és a méret közötti ugrás az ARC forradalmi konstrukciójának kulcseleme.
Az új, magas hőmérsékletű szupravezető mágnesek használata lehetővé teszi a tokamak-kísérletek, köztük az MIT saját Alcator-sorozatának működtetése során szerzett több évtizedes kísérleti tudás alkalmazását. Az új megközelítés, amelyet Zach Hartwig, az MIT vezető kutatója és a Robert N. Noyce karrierfejlesztési adjunktus, a nukleáris tudomány és mérnöki tudományok professzora vezet, egy jól ismert konstrukciót használ, de mindent a lineáris méret körülbelül felére méretez le, és a nagyobb mágneses tér miatt még mindig ugyanazokat az üzemi feltételeket éri el.
Egy tavaly megjelent tudományos publikációsorozat felvázolta a fizikai alapokat, és szimulációval igazolta az új fúziós berendezés életképességét. A cikkek kimutatták, hogy ha a mágnesek a várakozásoknak megfelelően működnek, akkor az egész fúziós rendszernek valóban nettó teljesítményt kell produkálnia, a fúziós kutatások évtizedei során először.
Martin Greenwald, a PSFC igazgatóhelyettese és vezető kutatója szerint a fúziós kísérletek néhány más tervétől eltérően "az általunk betöltött rés a hagyományos plazmafizika, a hagyományos tokamak-konstrukciók és -mérnöki tervezés felhasználásával, de az új mágnestechnológiával. Tehát nem volt szükségünk innovációra féltucatnyi különböző területen. Csak a mágnest újítottuk meg, majd alkalmaztuk az elmúlt évtizedek során szerzett ismereteinket."
A tudományosan megalapozott tervezési elvek és a játékban egyedülálló mágneses térerősség kombinációja teszi lehetővé egy olyan üzem megvalósítását, amely gazdaságilag életképes és gyors ütemben fejleszthető. "Ez egy nagy pillanat" - mondja Bob Mumgaard, a CFS vezérigazgatója. "Most egy olyan platformmal rendelkezünk, amely egyrészt tudományosan nagyon fejlett, mivel több évtizedes kutatások folynak ezeken a gépeken, másrészt kereskedelmileg is nagyon érdekes. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy gyorsabban, kisebb méretben és olcsóbban építsünk készülékeket" - mondja a sikeres mágneses demonstrációról.
---
A koncepció bizonyítása
Az új mágnes-koncepció megvalósítása három év intenzív munkát igényelt a tervezéssel, az ellátási láncok kialakításával és a mágnesek gyártási módszereinek kidolgozásával kapcsolatban, amelyeket végül ezrével kell majd gyártani.
"Megépítettük az első szupravezető mágnest. Rengeteg munkát igényelt az egyedi gyártási folyamatok és berendezések létrehozása. Ennek eredményeként most már jól felkészültünk a SPARC gyártásának felfuttatására" - mondja Joy Dunn, a CFS üzemeltetési vezetője. "Egy fizikai modellel és egy CAD-tervvel kezdtük, majd rengeteg fejlesztésen és prototípuson keresztül dolgoztunk, hogy a papíron lévő tervből ez a tényleges fizikai mágnes legyen." Ez gyártási képességek és tesztelési létesítmények kiépítését jelentette, beleértve egy iteratív folyamatot a szupravezető szalag több beszállítójával, hogy segítsük őket abban, hogy képesek legyenek olyan anyagot előállítani, amely megfelel a szükséges specifikációknak - és amelynek most a CFS a világ legnagyobb felhasználója.
Elmondása szerint két lehetséges mágnestervvel dolgoztak párhuzamosan, és végül mindkettő megfelelt a tervezési követelményeknek. "Valójában az volt a kérdés, hogy melyik forradalmasítaná a szupravezető mágnesek gyártásának módját, és hogy melyiket lenne könnyebb megépíteni". Az általuk elfogadott terv egyértelműen kiemelkedett ebből a szempontból - mondja.
Ebben a tesztben az új mágnest fokozatosan, több lépcsőben kapcsolták be, amíg el nem érték a 20 tesla mágneses mezőt - a legmagasabb mezőerősséget, amelyet magas hőmérsékletű szupravezető fúziós mágnes valaha is elért. A mágnes 16 egymásra helyezett lemezből áll, amelyek mindegyike önmagában a világ legerősebb nagy hőmérsékletű szupravezető mágnese lenne.
"Három évvel ezelőtt bejelentettünk egy tervet" - mondja Mumgaard - "egy 20 Tesla-s mágnes megépítésére, amire a jövőbeli fúziós gépekhez lesz szükségünk". Ezt a célt mostanra elértük, még a világjárvány ellenére is pontosan a tervezett időben, mondja.
Brandon Sorbom, a CFS tudományos vezetője a tavaly megjelent fizikai publikációsorozatot idézve azt mondja, hogy "a publikációk alapvetően arra a következtetésre jutottak, hogy ha megépítjük a mágnest, akkor az összes fizika működni fog a SPARC-ban. Ez a demonstráció tehát választ ad a kérdésre: Meg tudják építeni a mágnest? Ez egy nagyon izgalmas időszak! Ez egy hatalmas mérföldkő".
A következő lépés a SPARC megépítése lesz, a tervezett ARC erőmű kisebb méretű változata. A SPARC sikeres működése bebizonyítja, hogy egy teljes méretű, kereskedelmi fúziós erőmű megvalósítható, és ezzel szabaddá válik az út az úttörő berendezés gyors tervezése és építése előtt, amely aztán teljes sebességgel haladhat tovább.
Zuber azt mondja: "Most már őszintén optimista vagyok, hogy a mágnesek bizonyított teljesítménye alapján a SPARC képes lehet nettó pozitív energiát elérni. A következő lépés a méretnövelés, egy tényleges erőmű megépítése. Még sok kihívás áll előttünk, amelyek közül nem utolsósorban a megbízható, tartós működést lehetővé tevő konstrukció kifejlesztése. És mivel a cél a kereskedelmi forgalomba hozatal, a másik nagy kihívás a gazdaságosság lesz. Hogyan lehet ezeket az erőműveket úgy megtervezni, hogy költséghatékony legyen a megépítésük és a telepítésük?".
Egy napon, a remélt jövőben, amikor talán már több ezer fúziós erőmű fogja ellátni a tiszta elektromos hálózatokat világszerte, Zuber azt mondja: "Azt hiszem, vissza fogunk nézni, és elgondolkodunk azon, hogyan jutottunk el idáig, és azt hiszem, a mágneses technológia demonstrációja volt az az időpont, amikor elhittem, hogy hűha, ezt tényleg meg tudjuk csinálni.".
Egy energiatermelő fúziós berendezés sikeres létrehozása óriási tudományos eredmény lenne - jegyzi meg Zuber. De nem ez a lényeg. "Egyikünk sem próbál trófeákat nyerni ezen a ponton. Mi a bolygót próbáljuk élhetően tartani".
Magyar
Angol
Német
Olasz
Orosz
Spanyol
Francia
Kínai
Lengyel
Román