Poniższy artykuł został przetłumaczony przy użyciu translatora AI.
Projekt opracowany przez MIT osiąga duży postęp w kierunku energii termojądrowej
Nowy magnes nadprzewodzący bije rekordy natężenia pola magnetycznego, torując drogę do praktycznej, komercyjnej, bezemisyjnej energii.
Był to moment, który przygotowywano przez trzy lata, w oparciu o intensywne badania i prace projektowe: 5 września po raz pierwszy udało się zwiększyć natężenie pola elektromagnesu nadprzewodzącego do 20 tesli - najpotężniejszego pola magnetycznego tego typu, jakie kiedykolwiek powstało na Ziemi. Według liderów projektu z MIT i firmy Commonwealth Fusion Systems (CFS), ta udana demonstracja pomaga rozwiązać największą niewiadomą w dążeniu do zbudowania pierwszej na świecie elektrowni termojądrowej, która będzie w stanie wyprodukować więcej energii niż zużyje.
To osiągnięcie otwiera drogę, jak twierdzą, do stworzenia praktycznych, niedrogich i bezemisyjnych elektrowni, które mogłyby w znacznym stopniu przyczynić się do ograniczenia skutków globalnych zmian klimatycznych.
"Fuzja jądrowa jest pod wieloma względami najlepszym źródłem czystej energii" - mówi Maria Zuber, wiceprezes MIT ds. badań naukowych i profesor geofizyki E. A. Griswold. E. A. Griswolda. "Ilość dostępnej mocy naprawdę zmienia postać rzeczy". Paliwo wykorzystywane do tworzenia energii termojądrowej pochodzi z wody, a "Ziemia jest pełna wody - to niemal nieograniczony zasób. Musimy tylko wymyślić, jak je wykorzystać".
Opracowanie nowego magnesu jest postrzegane jako największa technologiczna przeszkoda na drodze do osiągnięcia tego celu; jego udane działanie otwiera teraz drzwi do zademonstrowania fuzji jądrowej w laboratorium na Ziemi, do czego dążono od dziesięcioleci z ograniczonym postępem. Dzięki udanej demonstracji technologii magnesu, współpraca MIT-CFS jest na dobrej drodze do zbudowania pierwszego na świecie urządzenia do fuzji jądrowej, które będzie w stanie wytworzyć i utrzymać w ryzach plazmę produkującą więcej energii niż zużywającą. To urządzenie demonstracyjne, nazwane SPARC, ma być gotowe w 2025 roku.
"Dennis Whyte, dyrektor MIT Plasma Science and Fusion Center, który współpracuje z CFS przy rozwoju SPARC, mówi: "Wyzwania związane z realizacją fuzji jądrowej są zarówno techniczne jak i naukowe. Jednak, jak twierdzi, gdy technologia zostanie sprawdzona, "jest to niewyczerpane, bezemisyjne źródło energii, które można wykorzystać w dowolnym miejscu i czasie. To naprawdę fundamentalnie nowe źródło energii".
Whyte, który jest profesorem inżynierii w Hitachi America, mówi, że demonstracja w tym tygodniu stanowi kamień milowy, odpowiadając na największe pytania dotyczące wykonalności projektu SPARC. "To naprawdę przełomowy moment, jak sądzę, w nauce i technologii fuzji jądrowej" - mówi.
---
Słońce w butelce
Fuzja termojądrowa to proces, który zasila Słońce: połączenie dwóch małych atomów w jeden większy, co uwalnia ogromne ilości energii. Proces ten wymaga jednak temperatury znacznie przekraczającej możliwości, jakie wytrzyma jakikolwiek stały materiał. Aby uchwycić słoneczne źródło energii tutaj na Ziemi, potrzebny jest sposób na przechwycenie i utrzymanie czegoś tak gorącego - 100 000 000 stopni lub więcej - poprzez zawieszenie tego w sposób, który uniemożliwia kontakt z czymkolwiek stałym.
Jest to możliwe dzięki intensywnym polom magnetycznym, które tworzą rodzaj niewidzialnej butelki, w której znajduje się gorąca, wirująca zupa protonów i elektronów, zwana plazmą. Ponieważ cząstki mają ładunek elektryczny, są one silnie kontrolowane przez pola magnetyczne, a najczęściej używaną konfiguracją do ich przechowywania jest urządzenie w kształcie pączka zwane tokamakiem. Większość z tych urządzeń wytwarza swoje pola magnetyczne za pomocą konwencjonalnych elektromagnesów wykonanych z miedzi, ale najnowsza i największa wersja budowana we Francji, zwana ITER, wykorzystuje tzw. nadprzewodniki niskotemperaturowe.
Główną innowacją w projekcie fuzji jądrowej MIT-CFS jest zastosowanie nadprzewodników wysokotemperaturowych, które umożliwiają uzyskanie znacznie silniejszego pola magnetycznego w mniejszej przestrzeni. Projekt ten był możliwy dzięki nowemu rodzajowi materiału nadprzewodzącego, który stał się komercyjnie dostępny kilka lat temu. Pomysł powstał początkowo jako projekt klasowy na zajęciach z inżynierii jądrowej prowadzonych przez Whyte'a. Pomysł wydawał się na tyle obiecujący, że był rozwijany przez kilka kolejnych iteracji zajęć, co doprowadziło do powstania koncepcji projektu elektrowni ARC na początku 2015 roku. SPARC, który ma być o połowę mniejszy od ARC, jest poligonem doświadczalnym, który ma sprawdzić koncepcję przed budową pełnowymiarowej elektrowni wytwarzającej energię.
Do tej pory jedynym sposobem na osiągnięcie kolosalnie silnych pól magnetycznych potrzebnych do stworzenia magnetycznej "butelki" zdolnej pomieścić plazmę rozgrzaną do setek milionów stopni było robienie ich coraz większych i większych. Jednak nowy materiał nadprzewodnika wysokotemperaturowego, wykonany w formie płaskiej taśmy, pozwala na osiągnięcie wyższego pola magnetycznego w mniejszym urządzeniu, dorównując wydajności, którą można by osiągnąć w aparacie o 40-krotnie większej objętości, wykorzystującym konwencjonalne niskotemperaturowe magnesy nadprzewodnikowe. Ten skok mocy w stosunku do rozmiarów jest kluczowym elementem rewolucyjnej konstrukcji ARC.
Zastosowanie nowych wysokotemperaturowych magnesów nadprzewodzących umożliwia wykorzystanie dziesięcioleci wiedzy eksperymentalnej zdobytej podczas eksploatacji tokamaków, w tym serii Alcator należącej do MIT. Nowe podejście, prowadzone przez Zacha Hartwiga, głównego badacza MIT i Roberta N. Noyce Career Development Assistant Professor of Nuclear Science and Engineering, wykorzystuje dobrze znaną konstrukcję, ale skaluje wszystko do około połowy rozmiaru liniowego i nadal osiąga te same warunki operacyjne ze względu na wyższe pole magnetyczne.
W serii prac naukowych opublikowanych w zeszłym roku przedstawiono podstawy fizyczne oraz, poprzez symulacje, potwierdzono możliwość zastosowania nowego urządzenia do fuzji jądrowej. Wykazały one, że jeśli magnesy będą działać zgodnie z oczekiwaniami, cały system fuzji jądrowej powinien rzeczywiście wytworzyć moc netto, po raz pierwszy od dziesięcioleci badań nad fuzją jądrową.
Martin Greenwald, zastępca dyrektora i starszy pracownik naukowy PSFC, powiedział, że w przeciwieństwie do innych projektów eksperymentów fuzji jądrowej, "nisza, którą wypełniliśmy, polegała na wykorzystaniu konwencjonalnej fizyki plazmy, konwencjonalnych konstrukcji i inżynierii tokamaka, ale przy użyciu nowej technologii magnesów. Nie wymagaliśmy więc innowacji w pół tuzinie różnych dziedzin. Wprowadzilibyśmy jedynie innowacje w zakresie magnesu, a następnie zastosowali bazę wiedzy zdobytej w ciągu ostatnich dziesięcioleci."
To połączenie naukowo ustalonych zasad konstrukcyjnych i zmieniającego reguły gry natężenia pola magnetycznego jest tym, co umożliwia osiągnięcie zakładu, który mógłby być ekonomicznie opłacalny i rozwijany w szybkim tempie. "To wielki moment", mówi Bob Mumgaard, dyrektor generalny CFS. "Mamy teraz platformę, która jest zarówno bardzo zaawansowana naukowo, ze względu na dekady badań nad tymi maszynami, jak i bardzo interesująca pod względem komercyjnym. Dzięki niej możemy budować urządzenia szybciej, mniejsze i tańsze" - mówi o udanej demonstracji magnesu.
---
Soarele într-o sticlă
Fuziunea este procesul care alimentează soarele: fuziunea a doi atomi mici pentru a face unul mai mare, eliberând cantități prodigioase de energie. Dar procesul necesită temperaturi mult peste ceea ce ar putea suporta orice material solid. Pentru a capta sursa de energie a soarelui aici, pe Pământ, este nevoie de o modalitate de a capta și de a reține ceva atât de fierbinte - 100.000.000 de grade sau mai mult - suspendându-l într-un mod care să împiedice contactul cu ceva solid.
Acest lucru se face prin intermediul unor câmpuri magnetice intense, care formează un fel de sticlă invizibilă pentru a conține supa fierbinte de protoni și electroni, numită plasmă. Deoarece particulele au o sarcină electrică, acestea sunt puternic controlate de câmpurile magnetice, iar cea mai utilizată configurație pentru a le conține este un dispozitiv în formă de gogoașă numit tokamak. Cele mai multe dintre aceste dispozitive și-au produs câmpurile magnetice folosind electromagneți convenționali din cupru, dar cea mai recentă și mai mare versiune aflată în construcție în Franța, numită ITER, folosește ceea ce se numește supraconductori de joasă temperatură.
Principala inovație în proiectul de fuziune MIT-CFS este utilizarea superconductorilor de înaltă temperatură, care permit obținerea unui câmp magnetic mult mai puternic într-un spațiu mai mic. Acest design a fost posibil datorită unui nou tip de material supraconductor care a devenit disponibil pe piață în urmă cu câțiva ani. Ideea a apărut inițial ca un proiect de clasă în cadrul unui curs de inginerie nucleară predat de Whyte. Ideea a părut atât de promițătoare încât a continuat să fie dezvoltată în următoarele câteva iterații ale acelui curs, ceea ce a dus la conceptul de proiectare a centralei electrice ARC la începutul anului 2015. SPARC, proiectată pentru a avea aproximativ jumătate din dimensiunea ARC, este un banc de testare pentru a dovedi conceptul înainte de construcția centralei de dimensiuni reale, care produce energie.
Până acum, singura modalitate de a obține câmpurile magnetice colosal de puternice necesare pentru a crea o "sticlă" magnetică capabilă să conțină plasmă încălzită la sute de milioane de grade era să le facem din ce în ce mai mari. Însă noul material supraconductor de înaltă temperatură, realizat sub forma unei benzi plate, asemănătoare unei panglici, face posibilă obținerea unui câmp magnetic mai mare într-un dispozitiv mai mic, egalând performanța care ar fi obținută într-un aparat cu un volum de 40 de ori mai mare folosind magneți supraconductori convenționali de joasă temperatură. Acest salt în ceea ce privește puterea în raport cu dimensiunea este elementul cheie al designului revoluționar al ARC.
Utilizarea noilor magneți supraconductori de înaltă temperatură face posibilă aplicarea a zeci de ani de cunoștințe experimentale dobândite în urma funcționării experimentelor tokamak, inclusiv a seriei Alcator a MIT. Noua abordare, condusă de Zach Hartwig, cercetător principal la MIT și profesor asistent de dezvoltare a carierei Robert N. Noyce de Știință și Inginerie Nucleară, utilizează un design bine cunoscut, dar reduce totul la aproximativ jumătate din dimensiunea liniară și obține aceleași condiții de funcționare datorită câmpului magnetic mai mare.
O serie de lucrări științifice publicate anul trecut au prezentat bazele fizice și, prin simulare, au confirmat viabilitatea noului dispozitiv de fuziune. Lucrările au arătat că, dacă magneții funcționează conform așteptărilor, întregul sistem de fuziune ar trebui într-adevăr să producă o producție netă de energie, pentru prima dată în decenii de cercetare în domeniul fuziunii.
Martin Greenwald, director adjunct și cercetător științific principal la PSFC, a declarat că, spre deosebire de alte proiecte de experimente de fuziune, "nișa pe care o umplem a fost aceea de a folosi fizica plasmatică convențională, precum și proiectele și ingineria tokamak-urilor convenționale, dar aducând această nouă tehnologie a magneților. Așadar, nu aveam nevoie de inovații în jumătate de duzină de domenii diferite. Am fi inovat doar în ceea ce privește magnetul, iar apoi am fi aplicat baza de cunoștințe acumulate în ultimele decenii".
Această combinație de principii de proiectare stabilite științific și de intensitate a câmpului magnetic care schimbă regulile jocului este ceea ce face posibilă realizarea unei instalații care ar putea fi viabilă din punct de vedere economic și dezvoltată rapid. "Este un moment important", spune Bob Mumgaard, CEO al CFS. "Avem acum o platformă care este atât foarte avansată din punct de vedere științific, datorită deceniilor de cercetare asupra acestor mașini, cât și foarte interesantă din punct de vedere comercial. Ceea ce face este să ne permită să construim dispozitive mai repede, mai mici și la costuri mai mici", spune el despre demonstrația de succes a magnetului.
---
Dowód słuszności koncepcji
Urzeczywistnienie koncepcji nowego magnesu wymagało trzech lat intensywnej pracy nad projektem, stworzeniem łańcuchów dostaw i opracowaniem metod produkcji magnesów, które w przyszłości będą musiały być wytwarzane w tysiącach egzemplarzy.
"Zbudowaliśmy pierwszy w swoim rodzaju magnes nadprzewodzący. Wymagało to wiele pracy, aby stworzyć unikalne procesy produkcyjne i sprzęt. Dzięki temu jesteśmy teraz dobrze przygotowani do rozpoczęcia produkcji SPARC" - mówi Joy Dunn, dyrektor ds. operacyjnych w CFS. "Zaczęliśmy od modelu fizycznego i projektu CAD, a następnie pracowaliśmy przez wiele etapów rozwoju i prototypów, aby przekształcić projekt na papierze w rzeczywisty fizyczny magnes". Wiązało się to z budową możliwości produkcyjnych i obiektów testowych, w tym iteracyjnego procesu z wieloma dostawcami taśmy nadprzewodzącej, aby pomóc im osiągnąć zdolność do produkcji materiału, który spełniał wymagane specyfikacje - i dla którego CFS jest obecnie w przeważającej mierze największym na świecie użytkownikiem.
Pracowano równolegle z dwoma możliwymi projektami magnesów, z których oba spełniały wymagania projektowe. "Wszystko sprowadzało się do tego, który z nich zrewolucjonizuje sposób wytwarzania magnesów nadprzewodnikowych i który będzie łatwiejszy do zbudowania". Jak mówi, przyjęta konstrukcja wyraźnie wyróżniała się pod tym względem.
W tym teście nowy magnes był stopniowo zwiększany, aż do osiągnięcia celu, jakim było uzyskanie pola magnetycznego o wartości 20 tesli - najwyższego natężenia pola, jakie kiedykolwiek uzyskano w wysokotemperaturowym nadprzewodzącym magnesie fuzyjnym. Magnes składa się z 16 płyt ułożonych jedna na drugiej, z których każda sama w sobie byłaby najpotężniejszym wysokotemperaturowym magnesem nadprzewodzącym na świecie.
"Trzy lata temu ogłosiliśmy plan" - mówi Mumgaard - "zbudowania magnesu o mocy 20 tesli, czyli takiego, jakiego będziemy potrzebować w przyszłych maszynach termojądrowych". Ten cel został teraz osiągnięty, dokładnie w terminie, nawet z pandemią, mówi.
Brandon Sorbom, dyrektor naukowy CFS, powołując się na serię prac z dziedziny fizyki opublikowanych w zeszłym roku, mówi: "zasadniczo prace te stwierdzają, że jeśli zbudujemy magnes, cała fizyka będzie działać w SPARC. Tak więc ta demonstracja odpowiada na pytanie: Czy uda się zbudować magnes? To bardzo ekscytujący moment! To ogromny kamień milowy."
Następnym krokiem będzie budowa SPARC, mniejszej skali wersji planowanej elektrowni ARC. Udana eksploatacja SPARC wykaże, że komercyjna elektrownia termojądrowa w pełnej skali jest możliwa, co otworzy drogę do szybkiego zaprojektowania i zbudowania tego pionierskiego urządzenia.
Zuber mówi: "Jestem przekonany, że SPARC może osiągnąć dodatnią energię netto, bazując na zademonstrowanej wydajności magnesów. Następnym krokiem jest zwiększenie skali i budowa prawdziwej elektrowni. Przed nami wciąż wiele wyzwań, z których nie najmniejszym jest opracowanie projektu, który pozwoli na niezawodną, długotrwałą pracę. A biorąc pod uwagę, że celem jest komercjalizacja, kolejnym poważnym wyzwaniem będzie kwestia ekonomiczna. Jak zaprojektować te elektrownie, aby ich budowa i wdrożenie były opłacalne?".
Pewnego dnia, w przyszłości, kiedy na całym świecie będą tysiące elektrowni termojądrowych zasilających czyste sieci elektryczne, Zuber mówi: "Myślę, że spojrzymy wstecz i zastanowimy się, jak do tego doszliśmy, i myślę, że demonstracja technologii magnesu jest dla mnie momentem, w którym uwierzyłem, że naprawdę możemy to zrobić."
Udane stworzenie urządzenia fuzyjnego produkującego energię byłoby ogromnym osiągnięciem naukowym, zauważa Zuber. Ale nie to jest najważniejsze. "Nikt z nas nie stara się w tym momencie zdobywać trofeów. Staramy się, aby nasza planeta nadawała się do życia".
https://news.mit.edu/2021/MIT-CFS-major-advance-toward-fusion-energy-0908
Węgierski
Angielski
Niemiecki
Włoski
Rosyjski
Hiszpański
Francuski
Chiński
Polski
Rumuński