Инженеры изучили опыт успешных трехлетней давности испытаний нового магнита из сверхпроводящего материала. Это открытие может радикально изменить экономическую эффективность термоядерного синтеза и открыть дорогу к эпохе чистой, практически безграничной энергетики.
Что такое термоядерный синтез?
Ядерный синтез – это соединение двух легких атомов в один более тяжелый с выделением большой энергии. Этот же процесс поддерживает Солнце и звезды. На Земле управляемое повторение этого процесса для получения энергии пока сложное явление.
При контролируемом ядерном синтезе исследователи применяют устройства, называемые токармаками — тороидальные камеры. В них легкие атомы, например водород, разогреваются до высоких температур и давлений. В таких условиях атомы соединяются, выделяя энергию.
Магниты незаменимы в термоядерных установках. С их помощью создают мощные магнитные поля, которые удерживают и стабилизируют плазму (ионизированный газ) в токахмаке. Такое воздействие обеспечивает условия для ядерного синтеза.
Прорыв с новым магнитом
В сентябре 2021 года в Центре плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института инженеры завершили испытание нового магнита из высокотемпературного сверхпроводящего материала, установив мировой рекорд напряженности магнитного поля — 20 Тесла.
Магнит изготовлен из REBCO, работающего при 20 Кельвинах. Это на 16 Кельвинов горячее, чем предыдущие сверхпроводящие материалы. Такая разница температур даёт существенные преимущества для свойств материала и практической инженерии.
Новый материал заставил пересмотреть принципы проектирования сверхпроводящих магнитов. Команда внедрила нововведение, отказавшись от изоляции, применяемой вокруг сверхпроводящих лент. В отличие от традиционных магнитов, лента оставалась открытой, что позволило использовать улучшенную проводимость REBCO для поддержания тока без коротких замыканий.
Несмотря на то, что сначала её считали опасной, конструкция показала устойчивость во время первых испытаний и следующих двух, где группа искусственно вызывала неблагоприятные ситуации, чтобы проверить крепость магнита.
Извлечение уроков
Первое испытание встретили с энтузиазмом, так как оно соответствовало всем критериям проекта SPARC. После этого процесс продолжился: в течение следующих месяцев детально разобрали магнит, изучили его составляющие и проанализировали результаты.
Доклад содержал глубокий анализ различных аспектов революционного магнита из проекта SPARC. В нем описаны особенности конструкции, характеристики высокотемпературного сверхпроводящего материала (REBCO) и инновации в традиционной конструкции сверхпроводящих магнитов. Представлена информация о процессе производства, трудностях крупномасштабного производства и этапах, способствовавших успеху проекта.
Отчёт детально описывает характеристики магнита в ходе испытаний, акцентируя внимание на стабильности магнитного поля, способности сохранять оптимальные условия для ядерного синтеза и других рабочих параметров.
В отчёте появился раздел, где описаны уроки, полученные во время работы. В нём отражены достижения, сложности и необходимые изменения для повышения конструкции и свойств будущих магнитов.
В этом отчёте содержится полная информация о создании, производстве, эксплуатации этого революционного магнита, его ключевых моментах и обзоре работ проекта SPARC.
Почему это важно?
До этой демонстрации доступные сверхпроводящие магниты обладали достаточной мощностью, однако были громоздкими и дорогими. Успешное использование этого магнита в больших масштабах меняет взгляд на термоядерные реакторы с экономической позиции.
Экспериментальные термоядерные устройства, например токамаки, могут значительно выиграть от этого прорыва, что приведет к серьезному изменению в возможности уменьшения размеров и стоимости объектов для термоядерного синтеза. Этот многообещающий прорыв дает реальный шанс сделать термоядерный синтез экономически жизнеспособным.