테스트 결과 고온 초전도 자석이 핵융합 준비가 된 것으로 나타났습니다.

2021년 9월 5일 새벽, 엔지니어들은 MIT 플라즈마 과학 및 융합 센터(PSFC) 연구실에서 고온 초전도 물질로 만든 새로운 유형의 자석이 세계 기록을 달성하는 중요한 이정표를 달성했습니다. 대형 자석의 자기장 강도는 20테슬라입니다. 이는 순 전력 출력을 생산하고 잠재적으로 사실상 무한한 전력 생산 시대를 열 것으로 예상되는 핵융합 발전소를 건설하는 데 필요한 강도입니다.

이 테스트는 자석이 핵심 구현 기술인 SPARC라고 불리는 새로운 핵융합 장치의 설계를 위해 확립된 모든 기준을 충족하여 즉시 성공으로 선언되었습니다. 그 성취를 가능하게 하기 위해 오랫동안 열심히 노력한 지친 실험자들이 그들의 성취를 축하하자 샴페인 코르크가 터졌습니다.

그러나 그것은 과정의 끝과는 거리가 멀었습니다. 그 후 몇 달에 걸쳐 팀은 자석의 구성 요소를 분해 및 검사하고, 테스트 세부 사항을 기록한 수백 개의 장비에서 데이터를 조사 및 분석했으며, 동일한 자석에 대해 두 번의 추가 테스트 실행을 수행하여 궁극적으로 자석을 원래 상태로 만들었습니다. 가능한 실패 모드의 세부 사항을 알아보기 위해 한계점을 파악합니다.

이 모든 작업은 이제 PSFC와 MIT 스핀아웃 회사인 Commonwealth Fusion Systems(CFS)의 연구원들이 작성한 상세한 보고서로 마무리되었습니다. 응용 초전도성에 관한 IEEE 거래. 이 논문에서는 자석의 설계 및 제작과 그 성능을 평가하는 데 필요한 진단 장비는 물론 프로세스에서 얻은 교훈도 설명합니다. 전반적으로 팀은 예측과 컴퓨터 모델링이 정확하여 자석의 고유한 설계 요소가 핵융합 발전소의 기초가 될 수 있음을 확인했습니다.

실용적인 핵융합력 가능

최근 PSFC 이사직에서 사임한 히타치 아메리카 공과대학 교수인 데니스 와이트(Dennis Whyte)는 자석의 성공적인 테스트가 “내 생각에는 지난 30년간의 핵융합 연구에서 가장 중요한 일”이었다고 말했습니다.

9월 5일 시연 이전에는 최고의 초전도 자석이 잠재적으로 핵융합 에너지를 얻을 수 있을 만큼 강력했지만 크기와 비용이 결코 실용적이거나 경제적으로 실행 가능하지 않았습니다. 그런 다음 테스트를 통해 크기가 크게 감소된 강력한 자석의 실용성이 입증되었을 때 “하룻밤 사이에 핵융합로의 와트당 비용이 기본적으로 하루 만에 거의 40배나 변경되었습니다”라고 Whyte는 말합니다.

“이제 핵융합에 기회가 생겼습니다”라고 Whyte는 덧붙입니다. 실험용 핵융합 장치에 가장 널리 사용되는 설계인 토카막은 “제 생각에는 경제적일 수 있는 기회가 있습니다. 알려진 구속 물리학 규칙을 사용하여 능력에 양자 변화를 가져왔기 때문입니다. 융합을 가능하게 하는 물체의 크기와 비용.”

6개의 새로운 논문에 자세히 설명된 PSFC 자석 테스트의 포괄적인 데이터 및 분석은 MIT와 CFS가 설계한 차세대 핵융합 장치에 대한 계획과 다른 상업용 핵융합 회사의 유사한 설계가 있음을 보여주었습니다. — 과학의 탄탄한 기초를 바탕으로 구축되었습니다.

초전도 혁신

가벼운 원자를 결합하여 더 무거운 원자를 만드는 과정인 핵융합은 태양과 별에 전력을 공급하지만, 지구상에서 그 과정을 활용하는 것은 수십 년의 노력과 실험 장치에 수십억 달러를 소비한 어려운 과제임이 입증되었습니다. 오랫동안 추구했지만 아직 달성하지 못한 목표는 소비하는 것보다 더 많은 에너지를 생산하는 핵융합 발전소를 건설하는 것입니다. 이러한 발전소는 가동 중에 온실가스를 배출하지 않고 전기를 생산할 수 있으며 방사성 폐기물도 거의 발생하지 않습니다. 바닷물에서 추출할 수 있는 수소의 형태인 퓨전의 연료는 사실상 무한합니다.

그러나 그것이 작동하려면 극도로 높은 온도와 압력에서 연료를 압축해야 하며, 알려진 물질은 그러한 온도를 견딜 수 없기 때문에 연료는 매우 강력한 자기장에 의해 제자리에 고정되어야 합니다. 이러한 강한 자기장을 생성하려면 초전도 자석이 필요하지만, 이전의 모든 핵융합 자석은 절대 영도(4 켈빈 또는 섭씨 -270도)보다 약 4도 높은 극한 온도가 필요한 초전도 재료로 만들어졌습니다. 지난 몇 년 동안 희토류 바륨 구리 산화물을 뜻하는 REBCO라는 새로운 소재가 융합 자석에 추가되어 20켈빈에서 작동할 수 있게 되었습니다. 이 온도는 단지 16켈빈 더 따뜻함에도 불구하고 상당한 이점을 제공합니다. 재료의 특성과 실용공학을 공부합니다.

이 새로운 고온 초전도 물질을 활용하는 것은 단순히 기존 자석 설계를 대체하는 문제가 아닙니다. 대신 “초전도 자석을 만드는 데 사용하는 거의 모든 원리를 처음부터 다시 작업한 것”이라고 Whyte는 말합니다. 새로운 REBCO 소재는 “이전 세대의 초전도체와는 매우 다릅니다. 단지 적응하고 교체하는 것이 아니라 실제로 처음부터 혁신하게 될 것입니다.” 의 새로운 논문 응용초전도에 관한 거래 이제 특허 보호가 이루어졌으므로 재설계 프로세스의 세부 사항을 설명하십시오.

핵심 혁신: 단열재 없음

현장의 많은 사람들이 성공 가능성에 회의적이었던 극적인 혁신 중 하나는 자석을 형성하는 얇고 평평한 초전도 테이프 리본 주위의 절연체를 제거한 것입니다. 사실상 모든 전선과 마찬가지로 기존의 초전도 자석은 전선 사이의 단락을 방지하기 위해 절연재로 완전히 보호됩니다. 그러나 새 자석에서는 테이프가 완전히 노출된 상태로 남아 있었습니다. 엔지니어들은 재료를 통해 전류 흐름을 유지하기 위해 REBCO의 훨씬 더 높은 전도성에 의존했습니다.

“2018년에 우리가 이 프로젝트를 시작했을 때 고온 초전도체를 사용하여 대규모 고자장 자석을 만드는 기술은 초기 단계였습니다.”라고 Robert N. Noyce 경력 개발 교수인 Zach Hartwig는 말합니다. 원자력 과학 및 공학 전공. Hartwig는 PSFC에 공동 임명되었으며 자석 개발 프로젝트를 주도한 엔지니어링 그룹의 책임자입니다. “최신 기술은 작은 벤치탑 실험이었고 실제 크기의 물건을 만드는 데 필요한 것을 실제로 대표하지는 못했습니다. 우리의 자석 개발 프로젝트는 벤치탑 규모에서 시작하여 짧은 시간 내에 전체 규모로 끝났습니다.”라고 그는 덧붙였습니다. , 팀은 20테슬라가 조금 넘는 안정적이고 고른 자기장을 생성하는 20,000파운드 자석을 만들었다는 점에 주목했습니다. 이는 대규모로 생성된 어떤 자기장보다 훨씬 더 높은 수준입니다.

“이러한 자석을 만드는 표준 방법은 도체를 감고 권선 사이에 절연체를 두는 것입니다. 그리고 셧다운과 같은 비정상적인 상황에서 생성되는 고전압을 처리하기 위해 절연체가 필요합니다.” 절연층을 제거하면 “저전압 시스템이라는 장점이 있습니다. 제조 공정과 일정이 크게 단순화됩니다.”라고 그는 말합니다. 또한 더 많은 냉각이나 강도를 위한 더 많은 구조와 같은 다른 요소를 위한 더 많은 공간을 남겨둡니다.

자석 어셈블리는 현재 매사추세츠 주 데벤스에 있는 CFS에서 제작 중인 SPARC 핵융합 장치의 도넛 모양 챔버를 형성할 것보다 약간 작은 규모의 버전입니다. 이는 팬케이크라고 불리는 16개의 판으로 구성되며, 각 판의 한쪽에는 초전도 테이프의 나선형 권선이 있고 다른 한쪽에는 헬륨 가스용 냉각 채널이 있습니다.

하지만 무단열 설계는 위험성이 높다고 여겨져 테스트 프로그램에 많은 부담이 쏠렸습니다. Hartwig는 “이것은 소위 절연이 없고 비틀림이 없는 기술을 사용하여 자석을 설계, 제작 및 테스트하는 것과 관련된 내용을 실제로 조사한 충분한 규모의 최초의 자석이었습니다.”라고 말했습니다. “우리가 이것이 비절연 코일이라고 발표했을 때 커뮤니티는 매우 놀랐습니다.”

한계까지 밀어붙이고… 그리고 그 이상

이전 논문에 설명된 초기 테스트에서는 설계 및 제조 프로세스가 작동할 뿐만 아니라 매우 안정적이라는 것이 입증되었습니다. 이는 일부 연구자들이 의심했던 부분입니다. 역시 2021년 말에 수행된 다음 두 번의 테스트 실행에서는 치명적인 과열로 이어질 수 있는 수신 전력의 완전한 차단을 포함하여 의도적으로 불안정한 조건을 만들어 장치를 한계까지 밀어붙였습니다. 담금질이라고 알려진 이는 장비를 파괴할 가능성이 있는 자석 작동에 대한 최악의 시나리오로 간주됩니다.

Hartwig는 테스트 프로그램의 임무 중 하나는 “실제로 전체 규모 자석을 꺼서 의도적으로 냉각시켜 과학을 발전시키고 검증하기 위한 올바른 규모와 올바른 조건에서 중요한 데이터를 얻을 수 있도록 하는 것”이라고 말했습니다. 설계 코드를 작성한 다음 자석을 분해하여 무엇이 잘못되었는지, 왜 잘못되었는지, 그리고 이를 수정하기 위해 다음 반복을 어떻게 수행하는지 확인합니다. … 매우 성공적인 테스트였습니다.”

16개 팬케이크 중 한 쪽 모서리가 녹는 것으로 끝난 최종 테스트에서 풍부한 새로운 정보가 나왔다고 Hartwig는 말합니다. 우선, 그들은 자석 성능의 다양한 측면의 성능을 설계하고 예측하기 위해 여러 가지 계산 모델을 사용해 왔으며, 대부분의 경우 모델은 전반적인 예측에 동의했으며 일련의 테스트와 테스트를 통해 잘 검증되었습니다. 실제 측정. 그러나 담금질 효과를 예측하는데 있어서 모델 예측이 상이했기 때문에 모델의 타당성을 평가하기 위해서는 실험 데이터를 얻는 것이 필요했다.

“우리가 자석이 어떻게 예열될지, 담금질이 시작될 때 어느 정도 예열될지, 그리고 결과적으로 자석이 손상될 위치를 거의 정확하게 예측한 최고 충실도 모델입니다.”라고 그는 말합니다. 새로운 보고서 중 하나에 자세히 설명된 바와 같이, “그 테스트는 실제로 진행 중인 물리학을 정확하게 알려주었고 어떤 모델이 앞으로 유용할지, 어떤 모델이 옳지 않기 때문에 버려야 할지 알려주었습니다.”

Whyte는 “기본적으로 우리는 코일 성능의 다른 모든 측면을 테스트한 후 의도적으로 코일에 가능한 최악의 작업을 수행했습니다. 그리고 대부분의 코일이 손상 없이 살아남았다는 것을 발견했습니다”라고 말했습니다. 녹는. “손상된 코일 부피의 몇 퍼센트와 같습니다.” 그리고 이로 인해 가장 극한 조건에서도 실제 핵융합 장치 자석의 손상을 방지할 것으로 예상되는 설계 수정이 이루어졌습니다.

Hartwig는 팀이 이렇게 획기적인 새로운 기록을 세운 자석 설계를 달성하고, 힘든 일정에도 불구하고 처음부터 올바르게 설계할 수 있었던 주된 이유는 축적된 깊은 수준의 지식, 전문성 및 장비 덕분이라고 강조합니다. Alcator C-Mod tokamak, Francis Bitter Magnet Laboratory 및 PSFC에서 수행한 기타 작업을 수십 년 동안 운영해 왔습니다. “이것은 이와 같은 장소의 제도적 역량의 핵심입니다”라고 그는 말합니다. “우리는 한 지붕 아래에서 이러한 일을 수행할 수 있는 역량, 인프라, 공간 및 인력을 보유하고 있었습니다.”

그는 MIT와 CFS가 학술 기관과 민간 기업의 가장 강력한 측면을 결합하여 스스로는 할 수 없었던 일을 함께 수행할 수 있었던 CFS와의 협력도 중요하다고 말했습니다. “예를 들어, CFS의 주요 공헌 중 하나는 민간 기업의 힘을 활용하여 프로젝트에서 가장 중요한 자재에 대한 전례 없는 수준과 일정으로 공급망을 구축하고 확장했다는 것입니다. -엄격한 품질관리를 통해 1년 안에 조달하여 일정에 맞춰 자석에 집적시킨 온도초전도체.”

그는 MIT 팀과 CFS 팀의 통합도 성공에 결정적인 역할을 했다고 말했습니다. “우리는 우리 자신을 하나의 팀으로 생각했고, 그것이 우리가 했던 일을 가능하게 했습니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/03/240304135732.htm