Αυτός ο ισχυρός ηλεκτρομαγνήτης θα μπορούσε να βοηθήσει να γίνει πραγματικότητα η ενέργεια σύντηξης
Ο άπιαστος στόχος της ενέργειας σύντηξης μπορεί να είναι πολύ πιο κοντά στην πραγματικότητα χάρη σε έναν νέο τύπο υπεραγώγιμου μαγνήτη. Έτσι ισχυρίζονται οι ερευνητές της Commonwealth Fusion Systems (CFS), οι οποίοι παρουσίασαν τον ηλεκτρομαγνήτη μήκους 2 μέτρων, πλάτους 1 μέτρου, σε σχήμα D σε μια διαδικτυακή συνέντευξη Τύπου σήμερα και είπαν ότι είχε δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο περίπου 500.000 φορές το φυσικό της Γης. πεδίο, δύο φορές ισχυρότερο από οποιονδήποτε παρόμοιο υπεραγώγιμο μαγνήτη. Ερευνητές της εταιρείας με έδρα τη Μασαχουσέτη λένε ότι η τεχνολογία μαγνητών τους θα τους επιτρέψει να κατασκευάσουν ένα σχετικά μικρό πρωτότυπο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας σύντηξης έως το 2025 — αν και αναγνωρίζουν ότι πρέπει να ξεπεράσουν πολλές άλλες τεχνολογικές προκλήσεις.
Από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) το 2018, η CFS έχει στοιχηματίσει την ύπαρξή της στην ανάπτυξη μαγνητών κατασκευασμένων από εξωτικά υπεραγώγιμα υλικά υψηλής θερμοκρασίας που μπορούν να παράγουν πεδία δύο φορές ισχυρότερα από τους συμβατικούς υπεραγώγιμους μαγνήτες. Έτσι, η επιτυχημένη δοκιμή του μαγνήτη, που επιτεύχθηκε στις 5 Σεπτεμβρίου, σηματοδοτεί έναν θρίαμβο για την εταιρεία. «Περάσαμε πριν από 3 χρόνια, όταν δεν ξέραμε καν αν θα μπορούσε να υπάρχει ένας τέτοιος μαγνήτης, στο να τον έχουμε σήμερα», λέει ο Bob Mumgaard, φυσικός πλάσματος και συνιδρυτής και διευθύνων σύμβουλος της CFS.
Ένας αντιδραστήρας σύντηξης, ή tokamak, στοχεύει να συλλάβει την ενέργεια που απελευθερώνεται όταν οι πυρήνες του δευτερίου και του τριτίου, τα βαριά ισότοπα του υδρογόνου, συντήκονται για να παράγουν ήλιο και ενεργητικά νετρόνια. Για να γίνει αυτό, ένα tokamak βασίζεται σε έντονα μαγνητικά πεδία για να παγιδεύσει και να πιέσει ένα υπερκαυτό ιονισμένο αέριο, ή πλάσμα, μέσα σε έναν θάλαμο κενού σε σχήμα ντόνατ. Ωστόσο, οι ερευνητές δεν έχουν ακόμη κατασκευάσει ένα tokamak που να αποδίδει περισσότερη ενέργεια από ό,τι καταναλώνει, και από καιρό πίστευαν ότι ένας τέτοιος αντιδραστήρας πρέπει να είναι μεγάλος για να φτάσει σε αυτό το νεκρό σημείο. Για παράδειγμα, το διεθνές ITER tokamak, το οποίο βρίσκεται υπό κατασκευή στη Γαλλία και στοχεύει να ξεπεράσει το νεκρό σημείο, έχει θάλαμο κενού ύψους 11 μέτρων και πλάτους 19 μέτρων.
Με τους μαγνήτες υψηλού πεδίου, ωστόσο, οι ερευνητές του CFS λένε ότι τα tokamaks μπορεί να είναι δραματικά μικρότερα - και επομένως φθηνότερα και ευκολότερα στην κατασκευή. Οι ερευνητές του CFS ξεκίνησαν να κατασκευάσουν τους απαιτούμενους μαγνήτες με περιέλιξη πηνίων που αποτελούνται από υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας που ονομάζονται οξείδια χαλκού βαρίου σπάνιων γαιών, αντί για συνηθισμένα υπεραγώγιμα μέταλλα όπως ο κασσίτερος νιοβίου. Όταν ψύχεται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, ένας υπεραγωγός μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς αντίσταση, εφόσον το ρεύμα και το μαγνητικό πεδίο δεν μεγαλώνουν πολύ. Οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας—ονομάζονται έτσι επειδή υπεραγωγίζονται σε συγκριτικά ήπιες θερμοκρασίες, ορισμένοι πάνω από τη θερμοκρασία υγρού αζώτου άνω των 77 kelvin—μπορούν να αντέξουν υψηλότερα μαγνητικά πεδία από τους συμβατικούς υπεραγωγούς.
Η πρόκληση ήταν κυρίως να δημιουργηθεί ένας μαγνήτης που να μπορεί να αντέξει τις τεράστιες μηχανικές καταπονήσεις που δημιουργούνται καθώς το ίδιο το μαγνητικό πεδίο σπρώχνει πίσω στα πηνία που μεταφέρουν ρεύμα, λέει ο Brian LaBombard, φυσικός πλάσματος και μηχανικός στο MIT που εργάστηκε στον μαγνήτη. «Μπορείς να το σκεφτείς σχεδόν σαν να πιέζεις ένα μπαλόνι», λέει. Οι συνηθισμένοι υπεραγωγοί μπορούν να διαμορφωθούν σε τραχύ σύρμα που μπορεί να τυλιχτεί σε ένα πηνίο, αλλά ένας υπεραγωγός υψηλής θερμοκρασίας έρχεται σε μια σχετικά εύθραυστη ταινία. Έτσι, για να αναπτύξουν τον μαγνήτη του, οι ερευνητές του CFS κατέληξαν σε ένα σχέδιο στο οποίο λεπτά στρώματα ταινίας τοποθετούνται ανάμεσα σε ισχυρότερα στρώματα μετάλλου. «Πρέπει να έχεις ουσιαστικά όσο περισσότερο μέταλλο μπορείς», λέει ο LaBombard. "Και ο σχεδιασμός που έχουμε εδώ το ωθεί στα άκρα."
Στην πρόσφατη δοκιμή, ο νέος μαγνήτης παρήγαγε ένα πεδίο 20 Tesla για περίπου 5 ώρες, αν και οι ερευνητές του CFS λένε ότι θα μπορούσαν να έχουν διατηρήσει το πεδίο επ 'αόριστον. Με τον μαγνήτη στο χέρι, η εταιρεία λέει ότι είναι έτοιμη να πυροβολήσει για τον επόμενο στόχο της:την ανάπτυξη ενός πρωτότυπου αντιδραστήρα που ονομάζεται SPARC που -όπως ακριβώς και ο ITER- θα έχει ως στόχο να δείξει ότι ένα tokamak μπορεί να παράγει περισσότερη ενέργεια από ό,τι καταναλώνει. Στο SPARC, ο ερευνητής θα χρησιμοποιήσει 18 πηνία όπως το πρωτότυπο 20 Tesla για να περιβάλλει έναν δακτυλιοειδές θάλαμο κενού. "Αυτός ο μαγνήτης μας επέτρεψε να αναπτύξουμε τις διαδικασίες και τον εξοπλισμό κατασκευής και την αλυσίδα εφοδιασμού σε κλίμακα που να είναι σχετική για εμπορική σύντηξη", λέει ο Joy Dunn, μηχανικός κατασκευής με CFS.
Ωστόσο, ένας μαγνήτης από μόνος του δεν κάνει τοκαμάκ. Πέρυσι, μια έκθεση από τις Εθνικές Ακαδημίες Επιστημών, Μηχανικής και Ιατρικής διαπίστωσε ότι για να γίνει πραγματικότητα ένα πρωτότυπο εργοστάσιο σύντηξης μέχρι το 2040, το πεδίο πρέπει να ξεπεράσει πολλές άλλες τεχνολογικές προκλήσεις. Μεταξύ αυτών των αναγκών είναι υλικά που μπορούν να αντιμετωπίσουν τη θερμότητα και τον βομβαρδισμό νετρονίων από το πλάσμα, καθώς και καλύτερα σχέδια για την εξαέρωση της καυτής εξάτμισης ηλίου από τον θάλαμο κενού. Ο Mumgaard συμφωνεί ότι αυτά τα προβλήματα πρέπει ακόμα να επιλυθούν. Ωστόσο, υποστηρίζει ότι θα ήταν πολύ πιο εύκολο να αντιμετωπιστούν όλα σε ένα συμπαγές tokamak υψηλού πεδίου.
Γενικότερα, ο νέος μαγνήτης μπορεί να σηματοδοτήσει μια αλλαγή στη θάλασσα για το πώς όλοι οι προγραμματιστές σύντηξης οραματίζονται τους μελλοντικούς αντιδραστήρες, ανεξάρτητα από τις ιδιαιτερότητες των σχεδίων τους, λέει ο Dennis Whyte, φυσικός πλάσματος και μηχανικός στο MIT:«Αυτή είναι, κατά την άποψή μου, η παλίρροια που ανυψώνει όλα τα σκάφη."
