В шести статьях, опубликованных в мартовском номере журнала IEEE Xplore, ученые из Массачусетского технологического института представили разработку и принципы работы новых сверхпроводящих магнитов. Этот прорыв, достигнутый за последние 30 лет, считается самым значительным в области создания коммерческих термоядерных реакторов.
5 сентября 2021 года в Центре науки о плазме и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института успешно прошли первые испытания масштабного прототипа сверхпроводящего электромагнита на высоких температурах. Прототип массой около 9 тонн создал электромагнитное поле мощностью 20 Тесла. Конструкция электромагнита создана с использованием новых принципов, и масштабные испытания подтвердили правильность расчетов, моделей и саму идею, которая является крайне инновационной.
Раньше существующие технологии и используемые электромагниты могли создавать поля с достаточной напряженностью, чтобы удерживать разогретую до 100 миллионов градусов Цельсия плазму внутри рабочей камеры и изолировать ее от стенок. Однако такие системы были далеки от требований рентабельности. Ученые из MIT вместе с коллегами из компании Commonwealth Fusion Systems создали намного более компактные и экономически выгодные электромагниты, что позволило говорить об их впечатляющей эффективности.
«За одну ночь это практически изменило стоимость ватта термоядерного реактора почти в 40 раз», как позже заявили участники эксперимента. «Теперь у термоядерного синтеза есть шанс, — утверждают учёные. — Наиболее широко используемая конструкция для экспериментальных термоядерных устройств, получила шанс стать экономичной, потому что у вас появились скачкообразные изменения в этой области». Это позволило существенно уменьшить размер и стоимость объектов, необходимых для осуществления термоядерного синтеза.
Секрет успеха новых сверхпроводящих электромагнитов кроется в отказе от изоляции проводов обмоток. Удивительно, но ученые использовали в обмотках голые провода, не опасаясь пробоев или коротких замыканий. Благодаря эффекту сверхпроводимости, условия в обмотке таковы, что возможность замыкания между витками не учитывается. Эксперимент подтверждает правильность такого выбора. Так, катушка электромагнита стала надежнее, меньше по размеру, а также дешевле и компактнее в отношении размера реактора в целом.
В качестве материала для обмотки был выбран высокотемпературный сверхпроводящий материал REBCO – редкоземельный оксид стронция, бария и меди, который обеспечивает сверхпроводящий эффект при температуре 20 K – что на 16 K выше обычных показателей, что существенно расширяет возможности, несмотря на небольшую разницу в температуре охлаждения. На каждый электромагнит потребовалось 300 километров полосы REBCO. Представьте, насколько уменьшилось занимаемое катушкой пространство благодаря отсутствию необходимости изолировать провод. В MIT не назвали производителя этого провода, так что он вполне может быть изготовлен, например, китайским производителем Shanghai Superconductor.
Во время испытаний магнита проверялись теоретические модели его работы, вплоть до частичного расплавления обмотки. Это важно для совершенствования конструкции и уточнения технических характеристик электромагнитов, предназначенных для будущих термоядерных реакторов. Статьи о разработке стали доступны после получения патентов на конструкции электромагнитов и принципов их работы. Эти исследования приближают момент, когда искусственное солнце будет освещать нашу планету, а энергия, передаваемая по электросетям, станет бесконечной и очень чистой.
3dnews
