Высокотемпературные сверхпроводящие магниты готовы к термоядерному синтезу

Инженеры извлекли уроки из исторического успеха испытаний, проведенных три года назад с использованием нового магнита, созданного из революционного сверхпроводящего материала. Это достижение обещает коренным образом изменить экономическую жизнеспособность термоядерного синтеза, проложив путь к эре чистого, практически безграничного производства электроэнергии.

Что такое термоядерный синтез?

Ядерный синтез — это процесс, в котором два легких атома объединяются в более тяжелый атом, выделяя при этом большое количество энергии. Это тот же процесс, который питает Солнце и звезды. Однако на Земле воспроизведение этого процесса контролируемым образом для получения энергии остается сложной задачей.

В рамках контролируемого ядерного синтеза ученые используют устройства под названием токамаки — тороидальные камеры, в которых легкие атомы, такие как водород, нагреваются до чрезвычайно высоких температур и давления. В этих условиях атомы сливаются вместе с выделением энергии.

Магниты играют важнейшую роль в этих термоядерных устройствах. Они используются для создания мощных магнитных полей, которые удерживают и поддерживают плазму (ионизированный газ) внутри токамака. Это позволяет поддерживать условия, необходимые для ядерного синтеза.

Прорыв с новым магнитом

В сентябре 2021 года в Центре плазменной науки и термоядерного синтеза (PSFC) Массачусетского технологического института была достигнута историческая веха. Инженеры успешно завершили революционное испытание нового магнита, изготовленного из высокотемпературного сверхпроводящего материала, и достигли мирового рекорда напряженности магнитного поля в 20 Тесла.

В частности, магнит изготовлен из материала под названием REBCO, который работает при температуре 20 Кельвинов, что на 16 Кельвинов горячее, чем предыдущие сверхпроводящие материалы. Такая разница температур дает значительные преимущества с точки зрения свойств материала и практической инженерии.

Однако этот новый материал потребовал полного пересмотра принципов проектирования сверхпроводящих магнитов. Команда внедрила инновацию, отказавшись от изоляции, которая обычно используется вокруг сверхпроводящих лент. В отличие от традиционных магнитов, лента была открыта, что позволило использовать улучшенную проводимость REBCO для поддержания тока без коротких замыканий.

Эта конструкция, хотя изначально и считалась рискованной, в итоге доказала свою стабильность в ходе первоначальных испытаний и двух последующих, в которых команда намеренно создавала нестабильные условия для оценки прочности магнита.

Извлечение уроков

Это первое испытание, естественно, было встречено с энтузиазмом, поскольку оно соответствовало всем критериям, установленным для проекта SPARC. Однако на этом процесс не остановился. Следующие месяцы были посвящены тщательной разборке магнита, осмотру его компонентов и анализу полученных данных.

Результатом стал подробный отчет, содержащий глубокий анализ различных аспектов революционного магнита, использованного в проекте SPARC. В частности, в нем подробно описываются особенности конструкции магнита, включая характеристики используемого высокотемпературного сверхпроводящего материала (REBCO), а также инновации, внесенные в традиционную конструкцию сверхпроводящих магнитов. В нем также представлена информация о процессе производства магнита, о трудностях, возникших в ходе крупномасштабного производства, и о важнейших этапах, способствовавших успеху проекта.

В отчете также подробно описаны характеристики магнита во время испытаний, подчеркивается стабильность магнитного поля, его способность поддерживать оптимальные условия для ядерного синтеза и другие аспекты его работы.

Наконец, исследователи включили в отчет раздел, посвященный урокам, извлеченным в ходе работы, отметив успехи, преодоленные трудности и любые корректировки, необходимые для дальнейшего улучшения конструкции и характеристик будущих магнитов.

Таким образом, в данном отчете представлена подробная документация о разработке, производстве, работе и основных уроках, связанных с этим революционным магнитом, а также всесторонний обзор работы, выполненной в рамках проекта SPARC.

Почему это важно?

До этой демонстрации доступные сверхпроводящие магниты были достаточно мощными, но слишком громоздкими и дорогими. Успешное использование этого магнита в больших масштабах позволило по-новому взглянуть на термоядерные реакторы с экономической точки зрения.

Экспериментальные термоядерные устройства, такие как токамаки, действительно могут значительно выиграть от этого прорыва, что знаменует собой серьезное изменение в возможности уменьшения размеров и стоимости объектов, необходимых для термоядерного синтеза. Другими словами, этот многообещающий прорыв дает реальный шанс сделать термоядерный синтез экономически жизнеспособным.