Large Bore Full Scale High Temperature Superconducting Magnet 777x518 1 2
Thông tin công nghệ

MIT phá vỡ kỷ lục nam châm siêu dẫn – Bước tiến lớn hướng tới năng lượng nhiệt hạch

Nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao có lỗ khoan lớn này được thiết kế và chế tạo bởi Commonwealth Fusion Systems và MIT’s Plasma Science and Fusion Centre (PSFC) đã chứng minh một từ trường kỷ lục 20 tesla. Nó là nam châm nhiệt hạch mạnh nhất trên thế giới. Nhà cung cấp hình ảnh: Gretchen Ertl, CFS / MIT-PSFC, 2021

Nam châm siêu dẫn mới phá vỡ các kỷ lục về cường độ từ trường, mở đường cho năng lượng thực tế, thương mại, không chứa carbon.

Đó là khoảng thời gian ba năm được chế tạo, dựa trên công việc nghiên cứu và thiết kế chuyên sâu: Vào ngày 5 tháng 9, lần đầu tiên, một nam châm điện siêu dẫn nhiệt độ cao lớn được tăng cường tới cường độ trường 20 tesla, từ trường mạnh nhất. thuộc loại của nó từng được tạo ra trên Trái đất. Theo các nhà lãnh đạo của dự án tại MIT và công ty khởi nghiệp Commonwealth Fusion Systems (CFS), cuộc trình diễn thành công đó giúp giải quyết sự không chắc chắn lớn nhất trong nhiệm vụ xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch đầu tiên trên thế giới có thể sản xuất nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ.

Họ nói, tiến bộ đó mở đường cho việc tạo ra các nhà máy điện thực tế, rẻ tiền, không chứa carbon, có thể đóng góp lớn vào việc hạn chế tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu.

Kết xuất SPARC, một tokamak nhỏ gọn, trường cao, hiện đang được thiết kế bởi một nhóm từ Viện Công nghệ Massachusetts và Hệ thống Hợp nhất Khối thịnh vượng chung. Nhiệm vụ của nó là tạo ra và giam giữ một plasma tạo ra năng lượng tổng hợp ròng. Nhà cung cấp hình ảnh: T. Henderson, CFS / MIT-PSFC, 2020

Maria Zuber, Phó chủ tịch nghiên cứu của MIT và Giáo sư Địa vật lý EA Griswold cho biết: “Nhiệt hạch theo nhiều cách là nguồn năng lượng sạch tối thượng. “Lượng sức mạnh có sẵn thực sự thay đổi trò chơi.” Nhiên liệu được sử dụng để tạo ra năng lượng nhiệt hạch đến từ nước, và “Trái đất chứa đầy nước – đó là một nguồn tài nguyên gần như không giới hạn. Chúng tôi chỉ phải tìm ra cách sử dụng nó. “

Việc phát triển nam châm mới được coi là trở ngại công nghệ lớn nhất để biến điều đó thành hiện thực; hoạt động thành công của nó hiện đã mở ra cánh cửa để chứng minh phản ứng tổng hợp trong một phòng thí nghiệm trên Trái đất, vốn đã được theo đuổi trong nhiều thập kỷ với tiến độ hạn chế. Với công nghệ nam châm hiện đã được chứng minh thành công, sự hợp tác MIT-CFS đang trên đà xây dựng thiết bị nhiệt hạch đầu tiên trên thế giới có thể tạo ra và giam giữ một plasma tạo ra nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ của nó. Thiết bị trình diễn đó, được gọi là SPARC, được nhắm đến để hoàn thành vào năm 2025.

Nhóm cộng tác làm việc trên nam châm bên trong giá đỡ thử nghiệm được đặt tại MIT. Nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm nam châm này là hoạt động lớn nhất duy nhất của nhóm SPARC, đã phát triển bao gồm 270 thành viên. Nhà cung cấp hình ảnh: Gretchen Ertl, CFS / MIT-PSFC, 2021

Dennis Whyte, giám đốc Trung tâm Khoa học Plasma và Nhiệt hạch của MIT, nơi đang làm việc với CFS để phát triển SPARC, cho biết: “Những thách thức của việc tạo ra phản ứng tổng hợp xảy ra là cả kỹ thuật và khoa học. Nhưng một khi công nghệ được chứng minh, ông nói, “đó là một nguồn năng lượng vô tận, không chứa carbon mà bạn có thể triển khai ở bất kỳ đâu và bất kỳ lúc nào. Nó thực sự là một nguồn năng lượng mới về cơ bản ”.

Whyte, Giáo sư Kỹ thuật của Hitachi Hoa Kỳ, cho biết cuộc trình diễn tuần này là một cột mốc quan trọng, giải quyết những câu hỏi lớn nhất còn lại về tính khả thi của thiết kế SPARC. Ông nói: “Đó thực sự là một khoảnh khắc đầu tiên trong khoa học và công nghệ nhiệt hạch.

Mặt trời trong chai

Nhiệt hạch là quá trình cung cấp năng lượng cho mặt trời: sự hợp nhất của hai nguyên tử nhỏ để tạo thành một nguyên tử lớn hơn, giải phóng một lượng năng lượng phi thường. Nhưng quá trình này đòi hỏi nhiệt độ vượt xa mức mà bất kỳ vật liệu rắn nào có thể chịu được. Để nắm bắt nguồn năng lượng của mặt trời ở đây trên Trái đất, điều cần thiết là một cách bắt và chứa một thứ gì đó nóng – 100.000.000 độ hoặc hơn – bằng cách đình chỉ nó theo cách ngăn nó tiếp xúc với bất cứ thứ gì rắn.

Điều đó được thực hiện thông qua từ trường cường độ cao, tạo thành một loại bình vô hình để chứa súp xoáy nóng của proton và electron, được gọi là plasma. Bởi vì các hạt có điện tích, chúng bị điều khiển mạnh bởi từ trường, và cấu hình được sử dụng rộng rãi nhất để chứa chúng là một thiết bị hình bánh rán được gọi là tokamak. Hầu hết các thiết bị này đã tạo ra từ trường của chúng bằng cách sử dụng nam châm điện thông thường làm bằng đồng, nhưng phiên bản mới nhất và lớn nhất đang được xây dựng ở Pháp, được gọi là ITER, sử dụng chất được gọi là chất siêu dẫn nhiệt độ thấp.

Ống cuộn của băng siêu dẫn nhiệt độ cao được sử dụng trong loại nam châm nhiệt hạch mới. Nam châm do CFS và MIT chế tạo và thử nghiệm chứa 267 km (166 mi) băng, là khoảng cách từ Boston, MA đến Albany, NY. Nhà cung cấp hình ảnh: Gretchen Ertl, CFS / MIT-PSFC, 2021

Sự đổi mới lớn trong thiết kế nhiệt hạch MIT-CFS là việc sử dụng các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, cho phép tạo ra từ trường mạnh hơn nhiều trong một không gian nhỏ hơn. Thiết kế này được thực hiện nhờ một loại vật liệu siêu dẫn mới đã được bán trên thị trường cách đây vài năm. Ban đầu, ý tưởng nảy sinh như một dự án trong lớp học kỹ thuật hạt nhân do Whyte giảng dạy. Ý tưởng có vẻ hứa hẹn đến nỗi nó tiếp tục được phát triển trong vài lần lặp lại tiếp theo của lớp đó, dẫn đến ý tưởng thiết kế nhà máy điện ARC vào đầu năm 2015. SPARC, được thiết kế với kích thước bằng một nửa ARC, là một thử nghiệm để chứng minh khái niệm trước khi xây dựng nhà máy sản xuất điện cỡ lớn.

Cho đến nay, cách duy nhất để đạt được từ trường khổng lồ cần thiết để tạo ra một “chai” từ tính có khả năng chứa plasma được làm nóng lên đến hàng trăm triệu độ là làm cho chúng ngày càng lớn hơn. Nhưng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao mới, được làm ở dạng một dải băng phẳng, giống như dải băng, giúp nó có thể đạt được từ trường cao hơn trong một thiết bị nhỏ hơn, bằng với hiệu suất sẽ đạt được trong một thiết bị lớn hơn 40 lần trong thể tích sử dụng nam châm siêu dẫn nhiệt độ thấp thông thường. Bước nhảy vọt về sức mạnh so với kích thước là yếu tố quan trọng trong thiết kế mang tính cách mạng của ARC.

Một nhóm các kỹ sư và nhà khoa học từ CFS và MIT’s PSFC hạ thấp nam châm siêu dẫn vào giá thử, trong đó nam châm được làm mát và cấp nguồn để tạo ra từ trường 20 tesla. Nhà cung cấp hình ảnh: Gretchen Ertl, CFS / MIT-PSFC, 2021

Việc sử dụng nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao mới giúp nó có thể áp dụng hàng thập kỷ kiến thức thực nghiệm thu được từ hoạt động của các thí nghiệm tokamak, bao gồm cả loạt Alcator của riêng MIT. Cách tiếp cận mới, do Zach Hartwig, điều tra viên chính của MIT và Trợ lý phát triển nghề nghiệp Robert N. Noyce, Giáo sư về Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, dẫn đầu, sử dụng một thiết kế nổi tiếng nhưng thu nhỏ mọi thứ xuống khoảng một nửa kích thước tuyến tính và vẫn đạt được hiệu quả tương tự. điều kiện hoạt động vì từ trường cao hơn.

Một loạt bài báo khoa học xuất bản năm ngoái đã phác thảo cơ sở vật lý và bằng cách mô phỏng, xác nhận khả năng tồn tại của thiết bị nhiệt hạch mới. Các bài báo chỉ ra rằng, nếu các nam châm hoạt động như mong đợi, thì toàn bộ hệ thống nhiệt hạch sẽ thực sự tạo ra sản lượng điện ròng, lần đầu tiên sau nhiều thập kỷ nghiên cứu nhiệt hạch.

Giám đốc của PSFC Dennis Whyte (L) và Giám đốc điều hành của CFS Bob Mumgaard (R) trong phòng thử nghiệm tại Trung tâm Khoa học và Kết hợp Plasma của MIT. Sự hợp tác bắt đầu cách đây hơn ba năm với sự hình thành của Commonwealth Fusion Systems hiện đang chuyển sang giai đoạn tiếp theo, xây dựng SPARC, thiết bị này sẽ là thiết bị thế giới để tạo ra và giam giữ một plasma tạo ra năng lượng tổng hợp ròng. Nhà cung cấp hình ảnh: Gretchen Ertl, CFS / MIT-PSFC, 2021

Martin Greenwald, phó giám đốc và nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại PSFC, cho biết không giống như một số thiết kế khác cho các thí nghiệm nhiệt hạch, “thích hợp mà chúng tôi đang lấp đầy là sử dụng vật lý plasma thông thường, thiết kế và kỹ thuật tokamak thông thường, nhưng mang đến cho nó nam châm mới này Công nghệ. Vì vậy, chúng tôi không yêu cầu đổi mới trong nửa tá lĩnh vực khác nhau. Chúng tôi sẽ chỉ đổi mới trên nam châm, và sau đó áp dụng cơ sở kiến thức của những gì đã học được trong những thập kỷ qua. “

Sự kết hợp giữa các nguyên tắc thiết kế đã được thiết lập một cách khoa học và cường độ từ trường thay đổi trò chơi là những gì làm cho nó có thể đạt được một nhà máy có thể có hiệu quả kinh tế và phát triển nhanh chóng. Bob Mumgaard, Giám đốc điều hành của CFS cho biết: “Đó là một khoảnh khắc trọng đại. “Bây giờ chúng tôi có một nền tảng về mặt khoa học rất tiên tiến, nhờ hàng chục năm nghiên cứu về những chiếc máy này, và cũng rất thú vị về mặt thương mại. Những gì nó làm là cho phép chúng tôi chế tạo các thiết bị nhanh hơn, nhỏ hơn và với chi phí thấp hơn, ”ông nói về cuộc trình diễn nam châm thành công.

Bằng chứng về khái niệm

Để đưa khái niệm nam châm mới đó trở thành hiện thực, đòi hỏi ba năm làm việc chuyên sâu về thiết kế, thiết lập chuỗi cung ứng và tìm ra phương pháp sản xuất nam châm mà cuối cùng hàng nghìn người có thể cần phải sản xuất.

“Chúng tôi đã chế tạo một nam châm siêu dẫn đầu tiên có một không hai. Nó đòi hỏi rất nhiều công việc để tạo ra các quy trình và thiết bị sản xuất độc đáo. Do đó, chúng tôi hiện đã chuẩn bị tốt để tăng cường sản xuất SPARC, ”Joy Dunn, người đứng đầu hoạt động của CFS cho biết. “Chúng tôi bắt đầu với một mô hình vật lý và một thiết kế CAD, và đã làm việc qua rất nhiều quá trình phát triển và tạo mẫu để biến một thiết kế trên giấy thành nam châm vật lý thực tế này.” Điều đó đòi hỏi phải xây dựng khả năng sản xuất và cơ sở thử nghiệm, bao gồm một quy trình lặp đi lặp lại với nhiều nhà cung cấp băng siêu dẫn, để giúp họ đạt được khả năng sản xuất vật liệu đáp ứng các thông số kỹ thuật cần thiết – và CFS hiện đang là người sử dụng lớn nhất thế giới.

Cô ấy nói rằng họ đã làm việc với hai thiết kế nam châm khả thi song song, cả hai đều đáp ứng được các yêu cầu thiết kế. “Nó thực sự dẫn đến việc cái nào sẽ cách mạng hóa cách chúng ta tạo ra nam châm siêu dẫn và cái nào dễ chế tạo hơn”. Cô ấy nói rằng thiết kế mà họ đã áp dụng rất nổi bật về mặt đó.

Trong thử nghiệm này, nam châm mới được cung cấp năng lượng dần dần theo một loạt các bước cho đến khi đạt được mục tiêu là có từ trường 20 tesla – cường độ trường cao nhất từ trước đến nay đối với nam châm nhiệt hạch siêu dẫn nhiệt độ cao. Nam châm này bao gồm 16 tấm xếp chồng lên nhau, mỗi tấm tự nó sẽ là nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao mạnh nhất trên thế giới.

Mumgaard nói: “Ba năm trước, chúng tôi đã công bố một kế hoạch để chế tạo một nam châm 20 tesla, đó là thứ chúng tôi sẽ cần cho các cỗ máy nhiệt hạch trong tương lai.” Ông nói, mục tiêu đó hiện đã đạt được, đúng tiến độ, ngay cả với đại dịch.

Trích dẫn loạt bài báo vật lý xuất bản năm ngoái, Brandon Sorbom, giám đốc khoa học của CFS, cho biết “về cơ bản các bài báo kết luận rằng nếu chúng ta chế tạo nam châm, tất cả vật lý sẽ hoạt động trong SPARC. Vì vậy, cuộc biểu tình này trả lời câu hỏi: Liệu họ có thể chế tạo nam châm không? Đó là một thời gian rất thú vị! Đó là một cột mốc quan trọng. “

Bước tiếp theo sẽ là xây dựng SPARC, một phiên bản quy mô nhỏ hơn của nhà máy điện ARC đã được lên kế hoạch. Việc vận hành thành công SPARC sẽ chứng minh rằng một nhà máy điện nhiệt hạch thương mại quy mô đầy đủ là thực tế, mở đường cho việc thiết kế và xây dựng nhanh chóng thiết bị tiên phong đó sau đó có thể tiến hành hết tốc lực.

Zuber nói rằng “Bây giờ tôi thực sự lạc quan rằng SPARC có thể đạt được năng lượng dương thuần, dựa trên hiệu suất đã được chứng minh của nam châm. Bước tiếp theo là mở rộng quy mô, xây dựng một nhà máy điện thực sự. Vẫn còn nhiều thách thức phía trước, trong đó không ít thách thức là phát triển một thiết kế cho phép hoạt động bền vững và đáng tin cậy. Và nhận ra rằng mục tiêu ở đây là thương mại hóa, một thách thức lớn khác sẽ là kinh tế. Bạn thiết kế những nhà máy điện này như thế nào để việc xây dựng và triển khai chúng sẽ hiệu quả về chi phí? ”

Một ngày nào đó trong một tương lai đầy hy vọng, khi có thể có hàng nghìn nhà máy nhiệt hạch cung cấp năng lượng cho các lưới điện sạch trên khắp thế giới, Zuber nói, “Tôi nghĩ chúng ta sẽ nhìn lại và nghĩ về cách chúng ta đến đó, và tôi nghĩ rằng cuộc biểu tình của công nghệ nam châm, đối với tôi, là thời điểm mà tôi tin rằng, wow, chúng ta thực sự có thể làm được điều này. “

Zuber lưu ý rằng việc chế tạo thành công một thiết bị nhiệt hạch tạo ra năng lượng sẽ là một thành tựu khoa học to lớn. Nhưng đó không phải là điểm chính. “Không ai trong chúng tôi đang cố gắng giành các danh hiệu vào thời điểm này. Chúng tôi đang cố gắng giữ cho hành tinh có thể sống được ”.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.