Проект, разработанный Массачусетским технологическим институтом, обеспечивает значительный прогресс в области термоядерной энергии

Новый сверхпроводящий магнит бьет рекорды силы магнитного поля, прокладывая путь к практичной, коммерческой, безуглеродной энергии.

Дэвид Чендлер | Офис новостей Массачусетского технологического института
Дата публикации :
8 сентября 2021 г.

Контакты для прессы:

Связи со СМИ Массачусетского технологического института
Электронная почта: expertrequests@mit.edu
Телефон: 617-253-2700

Загрузка мультимедиа

Надпись: Этот полноразмерный высокотемпературный сверхпроводящий магнит большого диаметра, разработанный и построенный Commonwealth Fusion Systems и Центром плазменной науки и синтеза (PSFC) Массачусетского технологического института, продемонстрировал рекордное магнитное поле в 20 тесла. Это самый сильный термоядерный магнит в мире.

Кредиты: Кредит: Гретхен Эртл, CFS/MIT-PSFC, 2021

Подпись: Совместная команда работает над магнитом внутри испытательного стенда в Массачусетском технологическом институте. Исследование, строительство и тестирование этого магнита были самым крупным направлением деятельности команды SPARC, которая выросла до 270 человек.

Кредиты: Кредит: Гретхен Эртл, CFS/MIT-PSFC, 2021

Надпись: Катушка высокотемпературной сверхпроводящей ленты, используемая в новом классе термоядерных магнитов. Магнит, построенный и испытанный CFS и MIT, содержит 267 км (166 миль) ленты, что соответствует расстоянию от Бостона, Массачусетс, до Олбани, штат Нью-Йорк.

Кредиты: Кредит: Гретхен Эртл, CFS/MIT-PSFC, 2021

Надпись: Группа инженеров и ученых из CFS и PSFC Массачусетского технологического института опускает сверхпроводящий магнит в испытательный стенд, в котором магнит охлаждается и приводится в действие для создания магнитного поля в 20 тесла.

Кредиты: Кредит: Гретхен Эртл, CFS/MIT-PSFC, 2021

Надпись: Директор PSFC Деннис Уайт (слева) и генеральный директор CFS Боб Мамгаард (справа) в испытательном зале Центра плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института. Сотрудничество, которое началось более трех лет назад с создания Commonwealth Fusion Systems, теперь переходит к следующему этапу, созданию SPARC, который станет мировым устройством для создания и удержания плазмы, производящей чистую термоядерную энергию.

Кредиты: Кредит: Гретхен Эртл, CFS/MIT-PSFC, 2021

Подпись: Визуализация SPARC, компактного токамака с сильным полем, который в настоящее время разрабатывается командой из Массачусетского технологического института и Commonwealth Fusion Systems. Его миссия состоит в том, чтобы создать и удержать плазму, которая производит чистую энергию синтеза.

Кредиты: Кредит: Т. Хендерсон, CFS/MIT-PSFC, 2020

*Условия эксплуатации:

Изображения для загрузки на веб-сайте отдела новостей Массачусетского технологического института доступны некоммерческим организациям, прессе и широкой публике в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives. Вы не можете изменять предоставленные изображения, кроме как обрезать их до нужного размера.При воспроизведении изображений необходимо использовать кредитную линию; если он не указан ниже, укажите изображения в «MIT».

Подпись :

Этот крупногабаритный полномасштабный высокотемпературный сверхпроводящий магнит, разработанный и построенный Commonwealth Fusion Systems и Центром плазменной науки и синтеза (PSFC) Массачусетского технологического института, продемонстрировал рекордное магнитное поле в 20 тесла. Это самый сильный термоядерный магнит в мире.

Кредиты:
Фото: Гретхен Эртл, CFS/MIT-PSFC, 2021 г.

Подпись :

Совместная команда работает над магнитом внутри испытательного стенда в Массачусетском технологическом институте. Исследование, строительство и тестирование этого магнита были самым крупным направлением деятельности команды SPARC, которая выросла до 270 человек.

Кредиты:
Фото: Гретхен Эртл, CFS/MIT-PSFC, 2021 г.

Подпись :

Катушка высокотемпературной сверхпроводящей ленты, используемая в новом классе термоядерных магнитов. Магнит, построенный и испытанный CFS и MIT, содержит 267 км (166 миль) ленты, что соответствует расстоянию от Бостона, Массачусетс, до Олбани, штат Нью-Йорк.

Кредиты:
Фото: Гретхен Эртл, CFS/MIT-PSFC, 2021 г.

Подпись :

Группа инженеров и ученых из CFS и PSFC Массачусетского технологического института опускает сверхпроводящий магнит в испытательный стенд, в котором магнит охлаждается и приводится в действие для создания магнитного поля в 20 тесла.

Кредиты:
Фото: Гретхен Эртл, CFS/MIT-PSFC, 2021 г.

Подпись :

Директор PSFC Деннис Уайт (слева) и генеральный директор CFS Боб Мамгаард (справа) в испытательном зале Центра плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института. Сотрудничество, которое началось более трех лет назад с создания Commonwealth Fusion Systems, теперь переходит к следующему этапу, созданию SPARC, который станет мировым устройством для создания и удержания плазмы, производящей чистую термоядерную энергию.

Кредиты:
Фото: Гретхен Эртл, CFS/MIT-PSFC, 2021 г.

Подпись :

Визуализация SPARC, компактного токамака с сильным полем, который в настоящее время разрабатывается командой из Массачусетского технологического института и Commonwealth Fusion Systems.Его миссия состоит в том, чтобы создать и удержать плазму, которая производит чистую энергию синтеза.

Кредиты:
Фото: Т. Хендерсон, CFS/MIT-PSFC, 2020 г.

Предыдущее изображение Следующее изображение

Это был момент, который готовился три года, основанный на интенсивных исследованиях и конструкторских работах: 5 сентября впервые большой высокотемпературный сверхпроводящий электромагнит был увеличен до напряженности поля 20 тесла, самого мощного магнитного поля. поле в своем роде, когда-либо созданное на Земле. Эта успешная демонстрация помогает устранить наибольшую неопределенность в стремлении построить первую в мире термоядерную электростанцию, которая может производить больше энергии, чем потребляет, по словам руководителей проекта из Массачусетского технологического института и стартап-компании Commonwealth Fusion Systems (CFS).

По их словам, это достижение прокладывает путь к долгожданному созданию практичных, недорогих, безуглеродных электростанций, которые могли бы внести значительный вклад в ограничение последствий глобального изменения климата.

«Термоядерный синтез во многих отношениях является идеальным источником чистой энергии», — говорит Мария Зубер, вице-президент Массачусетского технологического института по исследованиям и профессор геофизики Э. А. Грисволда. «Количество доступной мощности действительно меняет правила игры». Топливо, используемое для создания термоядерной энергии, поступает из воды, а «Земля полна воды — это почти неограниченный ресурс. Нам просто нужно понять, как это использовать».

Разработка нового магнита рассматривается как величайшее технологическое препятствие на пути к этому; его успешная работа теперь открывает дверь для демонстрации термоядерного синтеза в лаборатории на Земле, который использовался в течение десятилетий с ограниченным прогрессом. Теперь, когда магнитная технология успешно продемонстрирована, сотрудничество MIT-CFS находится на пути к созданию первого в мире термоядерного устройства, которое может создавать и удерживать плазму, которая производит больше энергии, чем потребляет. Это демонстрационное устройство под названием SPARC планируется завершить в 2025 году.

«Проблемы осуществления синтеза являются как техническими, так и научными», — говорит Деннис Уайт, директор Центра плазменных исследований и синтеза Массачусетского технологического института, который работает с CFS над разработкой SPARC. Но как только технология будет доказана, говорит он, «это станет неиссякаемым, безуглеродным источником энергии, который вы сможете использовать где угодно и когда угодно. Это действительно принципиально новый источник энергии».

Уайт, профессор инженерных наук Hitachi America, говорит, что демонстрация на этой неделе представляет собой важную веху, отвечающую на самые большие вопросы, остающиеся в отношении осуществимости конструкции SPARC. «Я считаю, что это действительно переломный момент в науке и технологии термоядерного синтеза», — говорит он.

Солнце во флаконе

Синтез — это процесс, который питает солнце: слияние двух маленьких атомов в один более крупный, высвобождающий огромное количество энергии. Но этот процесс требует температур, намного превышающих те, которые может выдержать любой твердый материал. Чтобы захватить источник солнечной энергии здесь, на Земле, необходим способ захватить и удержать что-то настолько горячее — 100 000 000 градусов или более — путем подвешивания таким образом, чтобы предотвратить его контакт с чем-либо твердым.

Это делается с помощью интенсивных магнитных полей, которые образуют своего рода невидимую бутылку, содержащую горячий бурлящий суп из протонов и электронов, называемый плазмой. Поскольку частицы имеют электрический заряд, они сильно контролируются магнитными полями, и наиболее широко используемой конфигурацией для их удержания является устройство в форме пончика, называемое токамак. Большинство этих устройств создавали свои магнитные поля с помощью обычных электромагнитов, сделанных из меди, но последняя и самая большая версия, строящаяся во Франции, называется ИТЭР и использует так называемые низкотемпературные сверхпроводники.

Основным нововведением в конструкции термоядерного синтеза MIT-CFS является использование высокотемпературных сверхпроводников, которые обеспечивают гораздо более сильное магнитное поле в меньшем пространстве.Эта конструкция стала возможной благодаря новому типу сверхпроводящего материала, который стал коммерчески доступен несколько лет назад. Идея изначально возникла как классный проект в классе ядерной инженерии, который вел Уайт. Идея казалась настолько многообещающей, что ее продолжали развивать в течение следующих нескольких итераций этого класса, что привело к созданию концепции конструкции электростанции ARC в начале 2015 года. концепция перед строительством полноразмерной энергетической установки.

До сих пор единственным способом получить колоссально мощные магнитные поля, необходимые для создания магнитной «бутылки», способной содержать плазму, нагретую до сотен миллионов градусов, было их увеличение и увеличение. Но новый материал высокотемпературного сверхпроводника, выполненный в виде плоской лентовидной ленты, позволяет достичь более высокого магнитного поля в устройстве меньшего размера, сравнявшись с производительностью, которая была бы достигнута в устройстве в 40 раз большем по размеру. объема с помощью обычных низкотемпературных сверхпроводящих магнитов. Этот скачок мощности по сравнению с размером является ключевым элементом революционного дизайна ARC.

Использование новых высокотемпературных сверхпроводящих магнитов позволяет применить десятилетия экспериментальных знаний, полученных в ходе экспериментов на токамаках, включая собственную серию Alcator Массачусетского технологического института. Новый подход, возглавляемый Заком Хартвигом, главным исследователем Массачусетского технологического института и ассистентом профессора ядерной науки и техники Роберта Н. Нойса по развитию карьеры, использует хорошо известную схему, но масштабирует все примерно до половины линейного размера и по-прежнему обеспечивает тот же результат. рабочие условия из-за более сильного магнитного поля.

Серия научных статей, опубликованных в прошлом году, изложила физическую основу и с помощью моделирования подтвердила жизнеспособность нового термоядерного устройства.Документы показали, что, если магниты будут работать, как ожидалось, вся термоядерная система действительно должна производить полезную выходную 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 для термоядерных экспериментов, «ниша, которую мы заполняли, заключалась в том, чтобы использовать обычную плазменную физику, а также обычные конструкции и инженерию токамака, но привнести в нее этот новый магнит». технологии. Таким образом, мы не нуждались в инновациях в полудюжине различных областей. Мы просто внедряли инновации на магните, а затем применяли базу знаний, полученную за последние десятилетия».

Это сочетание научно обоснованных принципов проектирования и принципиально новой силы магнитного поля позволяет создать установку, которая может быть экономически жизнеспособной и быстро развиваться. «Это важный момент, — говорит Боб Мамгаард, генеральный директор CFS. «Теперь у нас есть платформа, которая очень продвинута с научной точки зрения благодаря десятилетиям исследований этих машин, а также очень интересна с коммерческой точки зрения. Это позволяет нам создавать устройства быстрее, меньше и с меньшими затратами», — говорит он об успешной демонстрации магнита.

Проиграть видео

Доказательство концепции

Чтобы воплотить эту новую концепцию магнита в жизнь, потребовалось три года интенсивной работы над дизайном, созданием цепочек поставок и разработкой методов производства магнитов, которые, возможно, в конечном итоге должны будут производиться тысячами.

«Мы построили первый в своем роде сверхпроводящий магнит. Потребовалась большая работа по созданию уникальных производственных процессов и оборудования. В результате мы теперь хорошо подготовлены к наращиванию производства SPARC», — говорит Джой Данн, руководитель производства CFS.«Мы начали с физической модели и дизайна САПР, а затем провели множество разработок и прототипов, чтобы превратить дизайн на бумаге в настоящий физический магнит». Это повлекло за собой создание производственных мощностей и испытательных мощностей, включая итеративный процесс с несколькими поставщиками сверхпроводящей ленты, чтобы помочь им достичь возможности производить материал, отвечающий необходимым спецификациям, и для которого CFS в настоящее время является крупнейшим потребителем в мире.

По ее словам, они параллельно работали с двумя возможными конструкциями магнитов, обе из которых в конечном итоге соответствовали конструктивным требованиям. «На самом деле все сводилось к тому, какой из них произведет революцию в том, как мы делаем сверхпроводящие магниты, и какой из них будет проще построить». По ее словам, принятый ими дизайн явно выделялся в этом отношении.

В этом испытании новый магнит постепенно увеличивался в несколько этапов, пока не была достигнута цель магнитного поля в 20 тесла — самая высокая напряженность поля, когда-либо существовавшая для высокотемпературного сверхпроводящего термоядерного магнита. Магнит состоит из 16 пластин, сложенных вместе, каждая из которых сама по себе является самым мощным высокотемпературным сверхпроводящим магнитом в мире.

«Три года назад мы объявили о плане, — говорит Мумгаард, — построить магнит на 20 тесла, который нам понадобится для будущих термоядерных установок». По его словам, эта цель была достигнута точно по графику, даже в условиях пандемии.

Ссылаясь на серию статей по физике, опубликованных в прошлом году, Брэндон Сорбом, главный научный сотрудник CFS, говорит, что «в основном в документах делается вывод о том, что если мы построим магнит, вся физика будет работать в SPARC. Итак, эта демонстрация отвечает на вопрос: смогут ли они построить магнит? Это очень интересное время! Это огромная веха».

Следующим шагом будет строительство SPARC, уменьшенной версии планируемой электростанции ARC.Успешная работа SPARC продемонстрирует, что полномасштабная коммерческая термоядерная электростанция практична, расчистив путь для быстрого проектирования и строительства этого новаторского устройства, которое затем может быть запущено на полной скорости.

Зубер говорит: «Теперь я искренне оптимистичен в отношении того, что SPARC сможет достичь чистой положительной энергии на основе продемонстрированной производительности магнитов. Следующим шагом будет масштабирование, чтобы построить настоящую электростанцию. Впереди еще много задач, не последней из которых является разработка конструкции, обеспечивающей надежную и устойчивую работу. И понимая, что цель здесь — коммерциализация, еще одной серьезной проблемой будет экономическая. Как вы проектируете эти электростанции, чтобы их строительство и развертывание было рентабельным?»

Когда-нибудь в долгожданном будущем, когда во всем мире могут появиться тысячи термоядерных установок, питающих чистые электрические сети, Зубер говорит: «Я думаю, что мы собираемся оглянуться назад и подумать о том, как мы к этому пришли, и я думаю, что демонстрация магнитной технологии, для меня это время, когда я поверил, что мы действительно можем это сделать».

Зубер отмечает, что успешное создание термоядерного устройства, вырабатывающего энергию, станет огромным научным достижением. Но это не главное. «Никто из нас не пытается выиграть трофеи на данный момент. Мы пытаемся сохранить планету пригодной для жизни».