Na madrugada de 5 de setembro de 2021, os engenheiros alcançaram um marco importante nos laboratórios do Centro de Ciência e Fusão de Plasma (PSFC) do MIT, quando um novo tipo de ímã, feito de material supercondutor de alta temperatura, alcançou um recorde mundial. intensidade do campo magnético de 20 tesla para um ímã de grande escala. Essa é a intensidade necessária para construir uma central de fusão que deverá produzir uma produção líquida de energia e potencialmente inaugurar uma era de produção de energia praticamente ilimitada.



O teste foi imediatamente declarado um sucesso, tendo cumprido todos os critérios estabelecidos para a concepção do novo dispositivo de fusão, denominado SPARC, para o qual os ímanes são a principal tecnologia facilitadora. Rolhas de champanhe estouraram enquanto a cansada equipe de experimentadores, que havia trabalhado muito e arduamente para tornar a conquista possível, comemorava seu feito.

Mas isso estava longe de ser o fim do processo. Nos meses seguintes, a equipe desmontou e inspecionou os componentes do ímã, debruçou-se e analisou os dados de centenas de instrumentos que registraram detalhes dos testes e realizou dois testes adicionais no mesmo ímã, finalmente levando-o ao seu estado máximo. ponto de ruptura para aprender os detalhes de quaisquer possíveis modos de falha.

Todo esse trabalho culminou agora em um relatório detalhado feito por pesquisadores do PSFC e da empresa spinout do MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS), publicado em uma coleção de seis artigos revisados ​​por pares em uma edição especial da edição de março da IEEE Transactions sobre Supercondutividade Aplicada .

Juntos, os artigos descrevem o projeto e a fabricação do ímã e o equipamento de diagnóstico necessário para avaliar seu desempenho, bem como as lições aprendidas com o processo. No geral, descobriu a equipe, as previsões e a modelagem computacional foram corretas, verificando que os elementos de design exclusivos do ímã poderiam servir de base para uma usina de fusão.

Habilitando energia de fusão prática

O teste bem-sucedido do ímã, diz Dennis Whyte, professor de engenharia da Hitachi America, que recentemente deixou o cargo de diretor do PSFC, foi "a coisa mais importante, na minha opinião, nos últimos 30 anos de pesquisa em fusão".

Antes da demonstração de 5 de setembro, os melhores ímãs supercondutores disponíveis eram poderosos o suficiente para potencialmente alcançar energia de fusão – mas apenas em tamanhos e custos que nunca poderiam ser práticos ou economicamente viáveis. Então, quando os testes mostraram a praticidade de um ímã tão forte em um tamanho bastante reduzido, “da noite para o dia, basicamente alterou o custo por watt de um reator de fusão por um fator de quase 40 em um dia”, diz Whyte.

“Agora a fusão tem uma chance”, acrescenta Whyte. Os Tokamaks, o projeto mais utilizado para dispositivos experimentais de fusão, "têm uma chance, na minha opinião, de serem econômicos porque você tem uma mudança quântica em sua capacidade, com as regras conhecidas da física de confinamento, de ser capaz de reduzir bastante o tamanho e o custo dos objetos que tornariam a fusão possível."

Os dados e análises abrangentes do teste magnético do PSFC, conforme detalhado nos seis novos artigos, demonstraram que os planos para uma nova geração de dispositivos de fusão - aquele projetado pelo MIT e CFS, bem como projetos semelhantes de outras empresas comerciais de fusão - são construídos sobre uma base sólida na ciência.

A descoberta dos supercondutores

A fusão, o processo de combinação de átomos leves para formar átomos mais pesados, alimenta o Sol e as estrelas, mas aproveitar esse processo na Terra revelou-se um desafio assustador, com décadas de trabalho árduo e muitos milhares de milhões de dólares gastos em dispositivos experimentais.

O objectivo há muito almejado, mas nunca alcançado, é construir uma central eléctrica de fusão que produza mais energia do que consome. Tal central eléctrica poderia produzir electricidade sem emitir gases com efeito de estufa durante o funcionamento e gerando muito poucos resíduos radioactivos. O combustível da fusão, uma forma de hidrogénio que pode ser derivado da água do mar, é virtualmente ilimitado.

Mas para que funcione é necessário comprimir o combustível a temperaturas e pressões extraordinariamente elevadas e, como nenhum material conhecido consegue suportar tais temperaturas, o combustível deve ser mantido no lugar por campos magnéticos extremamente poderosos. A produção de campos tão fortes requer ímãs supercondutores, mas todos os ímãs de fusão anteriores foram feitos com um material supercondutor que requer temperaturas frias de cerca de 4 graus acima do zero absoluto (4 Kelvins, ou -270°C).

Nos últimos anos, um novo material apelidado de REBCO, para óxido de cobre e bário de terras raras, foi adicionado aos ímãs de fusão, e permite que eles operem a 20 Kelvins, uma temperatura que apesar de ser apenas 16 Kelvins mais quente, traz vantagens significativas em termos de propriedades de materiais e engenharia prática.

Tirar vantagem deste novo material supercondutor de alta temperatura não foi apenas uma questão de substituí-lo nos designs magnéticos existentes. Em vez disso, “foi um retrabalho desde o início de quase todos os princípios usados ​​para construir ímãs supercondutores”, diz Whyte. O novo material REBCO é “extraordinariamente diferente da geração anterior de supercondutores. Você não vai apenas adaptar e substituir, na verdade vai inovar desde o início”. Os novos artigos em IEEE Transactions on Applied Superconductivity descrever os detalhes desse processo de redesenho, agora que a proteção de patente está em vigor.

Uma inovação importante:sem isolamento

Uma das inovações dramáticas, que deixou muitos outros na área céticos quanto às suas chances de sucesso, foi a eliminação do isolamento em torno das fitas finas e planas de fita supercondutora que formavam o ímã. Como praticamente todos os fios elétricos, os ímãs supercondutores convencionais são totalmente protegidos por material isolante para evitar curtos-circuitos entre os fios. Mas no novo ímã, a fita ficou completamente nua; os engenheiros confiaram na condutividade muito maior do REBCO para manter a corrente fluindo através do material.

"Quando iniciamos este projeto, digamos em 2018, a tecnologia de uso de supercondutores de alta temperatura para construir ímãs de alto campo em grande escala estava em sua infância", diz Zach Hartwig, professor de desenvolvimento de carreira Robert N. Noyce no Departamento. de Ciência e Engenharia Nuclear. Hartwig tem um cargo conjunto no PSFC e é o chefe do grupo de engenharia, que liderou o projeto de desenvolvimento do ímã.

"O estado da arte eram pequenos experimentos de bancada, não representativos do que é necessário para construir algo em tamanho real. Nosso projeto de desenvolvimento de ímã começou em escala de bancada e terminou em escala real em um curto espaço de tempo", acrescenta. , observando que a equipe construiu um ímã de 20.000 libras que produziu um campo magnético constante e uniforme de pouco mais de 20 tesla – muito além de qualquer campo desse tipo já produzido em grande escala.

"A maneira padrão de construir esses ímãs é enrolar o condutor e ter isolamento entre os enrolamentos, e você precisa de isolamento para lidar com as altas tensões geradas durante eventos fora do normal, como um desligamento." Eliminar as camadas de isolamento, diz ele, “tem a vantagem de ser um sistema de baixa tensão. Simplifica muito os processos e o cronograma de fabricação”. Também deixa mais espaço para outros elementos, como mais resfriamento ou mais estrutura para resistência.

O conjunto magnético é uma versão em escala ligeiramente menor daqueles que formarão a câmara em forma de donut do dispositivo de fusão SPARC que está sendo construído pela CFS em Devens, Massachusetts. Consiste em 16 placas, chamadas panquecas, cada uma contendo um enrolamento espiral da fita supercondutora de um lado e canais de resfriamento para o gás hélio do outro.

Mas o projeto sem isolamento foi considerado arriscado e muita coisa dependia do programa de testes. "Este foi o primeiro ímã em escala suficiente que realmente investigou o que está envolvido no projeto, na construção e no teste de um ímã com a chamada tecnologia sem isolamento e sem torção", diz Hartwig. "Foi uma grande surpresa para a comunidade quando anunciamos que se tratava de uma bobina sem isolamento."

Chegando ao limite… e além

O teste inicial, descrito em artigos anteriores, provou que o processo de design e fabricação não apenas funcionava, mas era altamente estável – algo de que alguns pesquisadores duvidavam. Os próximos dois testes, também realizados no final de 2021, levaram o dispositivo ao limite, criando deliberadamente condições instáveis, incluindo um corte completo da energia de entrada que pode levar a um sobreaquecimento catastrófico. Conhecido como têmpera, este é considerado o pior cenário para o funcionamento de tais ímãs, com potencial de destruição do equipamento.

Parte da missão do programa de testes, diz Hartwig, era "realmente extinguir intencionalmente um ímã em grande escala, para que possamos obter os dados críticos na escala certa e nas condições certas para avançar a ciência, para validar os códigos de design e, em seguida, desmontar o ímã e ver o que deu errado, por que deu errado e como faremos a próxima iteração para consertar isso... Foi um teste muito bem-sucedido.

Esse teste final, que terminou com o derretimento de um canto de uma das 16 panquecas, produziu uma riqueza de novas informações, diz Hartwig. Por um lado, eles usaram vários modelos computacionais diferentes para projetar e prever o desempenho de vários aspectos do desempenho do ímã e, na maior parte, os modelos concordaram em suas previsões gerais e foram bem validados pela série de testes e medições do mundo real. Mas ao prever o efeito da extinção, as previsões do modelo divergiram, por isso foi necessário obter os dados experimentais para avaliar a validade dos modelos.

“Os modelos de maior fidelidade que havíamos previsto quase exatamente como o ímã se aqueceria, até que ponto ele se aqueceria quando começasse a se extinguir e onde ocorreria o dano resultante ao ímã”, diz ele. Conforme descrito em detalhes em um dos novos relatórios, “Esse teste realmente nos disse exatamente a física que estava acontecendo e nos disse quais modelos eram úteis no futuro e quais deveriam ser deixados de lado porque não estavam certos”.

Whyte diz:"Basicamente, fizemos a pior coisa possível com uma bobina, de propósito, depois de termos testado todos os outros aspectos do desempenho da bobina. E descobrimos que a maior parte da bobina sobreviveu sem danos", enquanto uma área isolada sofreu alguns danos. Derretendo. "É como se uma pequena porcentagem do volume da bobina fosse danificada." E isso levou a revisões no projeto que deverão evitar tais danos nos ímãs reais do dispositivo de fusão, mesmo sob as condições mais extremas.

Hartwig enfatiza que um dos principais motivos pelos quais a equipe foi capaz de realizar um novo design de ímã tão radical e que estabeleceu recordes, e acertou na primeira vez e em um cronograma alucinante, foi graças ao profundo nível de conhecimento, experiência e equipamentos acumulados. ao longo de décadas de operação do tokamak Alcator C-Mod, do Laboratório Francis Bitter Magnet e outros trabalhos realizados no PSFC. “Isso vai ao cerne das capacidades institucionais de um lugar como este”, diz ele. "Tínhamos a capacidade, a infraestrutura, o espaço e as pessoas para fazer essas coisas sob o mesmo teto."

A colaboração com o CFS também foi fundamental, diz ele, com o MIT e o CFS combinando os aspectos mais poderosos de uma instituição acadêmica e de uma empresa privada para fazer coisas juntos que nenhum deles poderia ter feito sozinho. "Por exemplo, uma das principais contribuições do CFS foi aproveitar o poder de uma empresa privada para estabelecer e ampliar uma cadeia de fornecimento em um nível e cronograma sem precedentes para o material mais crítico do projeto:300 quilômetros (186 milhas) de alta -supercondutor de temperatura, que foi adquirido com rigoroso controle de qualidade em menos de um ano e integrado dentro do cronograma no ímã."

A integração das duas equipes, as do MIT e as do CFS, também foi crucial para o sucesso, afirma. "Pensamos em nós mesmos como uma equipe e isso tornou possível fazer o que fizemos."

Mais informações: Artigos:Edição especial sobre o programa SPARC Toroidal Field Model Coil
Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.