高温超電導磁石が核融合の準備ができていることが試験で示される | マサチューセッツ工科大学ニュース

2021年9月5日の夜明け前、エンジニアたちはMITのプラズマ科学・核融合センター（PSFC）の研究室で、高温超電導材料で作られた新しいタイプの磁石が世界記録を達成するという大きなマイルストーンを達成した。大型磁石としては磁場強度20テスラ。 これは、正味の電力出力を生成し、事実上無限の電力生産時代の到来をもたらす可能性がある核融合発電所を建設するために必要な強度です。

試験はすぐに成功と宣言され、磁石が実現の鍵となる技術である SPARC と呼ばれる新しい核融合装置の設計のために確立されたすべての基準を満たしました。 成果を可能にするために長く懸命に働いてきた疲れ果てた実験者チームが成果を祝う中、シャンパンのコルクがはじけました。

しかし、それはプロセスの終わりには程遠いものでした。 その後数か月にわたって、チームは磁石のコンポーネントを分解して検査し、テストの詳細を記録した何百もの機器からのデータを詳しく調べて分析し、同じ磁石に対して追加の 2 回のテストを実行して、最終的に磁石を理想的な状態にまで押し上げました。考えられる故障モードの詳細を知るために限界点を確認します。

このすべての研究は現在、PSFC と MIT のスピンアウト企業 Commonwealth Fusion Systems (CFS) の研究者らによる詳細なレポートで最高潮に達しています。 6 つの査読論文を集めたもの 3月号の特別号に 応用超電導に関するIEEEトランザクション。 これらの論文では、磁石の設計と製造、その性能を評価するために必要な診断装置、およびそのプロセスから学んだ教訓について説明しています。 全体として、研究チームは、予測とコンピューターモデリングが的中し、磁石のユニークな設計要素が核融合発電所の基礎として機能する可能性があることを証明したことを発見しました。

実用的な核融合発電を可能にする

最近PSFC所長を辞任した日立アメリカ工学部のデニス・ホワイト教授は、磁石の実験の成功は「私の意見では、過去30年間の核融合研究の中で最も重要なことだった」と述べている。

9 月 5 日の実証実験以前は、入手可能な最も優れた超電導磁石は、核融合エネルギーを実現できる可能性を秘めた十分強力なものでしたが、そのサイズとコストは決して実用的または経済的に実行可能ではありませんでした。 その後、大幅に小型化されたこのような強力な磁石の実用性がテストで示されたとき、「一夜にして、核融合炉のワット当たりのコストが基本的に 1 日で 40 倍近く変わりました」とホワイト氏は言います。

「今、核融合にはチャンスがある」とホワイト氏は付け加えた。 核融合実験装置として最も広く使用されている設計であるトカマクは、「私の意見では、既知の閉じ込め物理法則により、能力に量子変化があり、エネルギーを大幅に削減できるため、経済的になる可能性があります。」融合を可能にする物体のサイズとコスト。」

6 つの新しい論文で詳述されているように、PSFC の磁石テストから得られた包括的なデータと分析は、新世代の核融合装置 (MIT と CFS によって設計されたもの、および他の商用核融合会社による同様の設計) の計画が実証されたことを示しています。科学の強固な基盤の上に構築されています。

超電導の躍進

核融合は、軽い原子を組み合わせてより重い原子を形成するプロセスであり、太陽や星に動力を供給しますが、地球上でそのプロセスを利用することは、数十年にわたる労力と実験装置に何十億ドルも費やされ、困難な課題であることが判明しました。 長年求められてきたがまだ達成されていない目標は、消費するエネルギーよりも多くのエネルギーを生産する核融合発電所を建設することです。 このような発電所は、運転中に温室効果ガスを排出することなく発電でき、放射性廃棄物もほとんど発生しません。 フュージョンの燃料は海水から得られる水素の一種であり、実質的には無限である。

しかし、それを機能させるには、非常に高い温度と圧力で燃料を圧縮する必要があり、そのような温度に耐えられる既知の材料はないため、燃料は非常に強力な磁場によって所定の位置に保持されなければなりません。 このような強い磁場を生成するには超電導磁石が必要ですが、これまでの核融合磁石はすべて、絶対零度より約 4 度高い (4 ケルビン、または摂氏 -270 度) という極寒の温度を必要とする超電導材料で作られていました。 ここ数年で、希土類バリウム銅酸化物を意味する REBCO と呼ばれる新しい材料が核融合磁石に追加され、20 ケルビンで動作できるようになりました。この温度はわずか 16 ケルビン高い温度であるにもかかわらず、次の点で大きな利点をもたらします。材料特性と実用的な工学の研究。

この新しい高温超伝導材料を活用することは、単に既存の磁石設計を置き換えるだけの問題ではありませんでした。 その代わりに、「それは、超電導磁石を作るために使用されるほぼすべての原理を根本から作り直したものでした」とホワイト氏は言います。 新しい REBCO 材料は「前世代の超電導体とは著しく異なります。 ただ適応して置き換えるだけではなく、実際に根本から革新することになるのです。」 の新しい論文 応用超電導に関する取引 特許保護が適用されているので、その再設計プロセスの詳細を説明します。

重要なイノベーション: 断熱材なし

この分野の他の多くの人がその成功の可能性に懐疑的であった劇的な革新の 1 つは、磁石を形成する超電導テープの薄くて平らなリボンの周囲の絶縁体を除去することでした。 事実上すべての電線と同様に、従来の超電導磁石は、電線間の短絡を防ぐために絶縁材で完全に保護されています。 しかし、新しい磁石では、テープは完全に裸のままでした。 エンジニアは、REBCO のはるかに優れた導電性を利用して、材料に電流を流し続けました。

「私たちがこのプロジェクトを開始したとき、たとえば 2018 年に、高温超伝導体を使用して大規模な高磁場磁石を構築する技術はまだ初期段階にありました」と、同学科のロバート N. ノイス キャリア開発教授のザック ハートウィッグ氏は言います。原子力科学工学の博士号を取得。 ハートウィッグ氏は PSFC に兼務しており、磁石開発プロジェクトを主導したエンジニアリング グループの責任者です。 「最先端のものは小規模なベンチトップ実験であり、実物大のものを構築するために必要なものを実際に表すものではありませんでした。 私たちの磁石開発プロジェクトはベンチトップスケールで始まり、短期間でフルスケールに終わりました」と彼は付け加え、チームが20テスラ強の安定した均一な磁場を生成する20,000ポンドの磁石を構築したことを指摘した。これまでに大規模に生産されたそのような分野を超えています。

「これらの磁石を構築する標準的な方法は、導体を巻いて巻線間に絶縁体を設けることですが、シャットダウンなどの非正常なイベント中に生成される高電圧に対処するために絶縁体が必要です。」 絶縁層をなくすことには、「システムが低電圧になるという利点があります。 製造プロセスとスケジュールが大幅に簡素化されます。」 また、冷却を強化したり、強度を高めるための構造を強化したりするなど、他の要素のための余地もより多く残されます。

この磁石アセンブリは、マサチューセッツ州デベンズにある CFS によって現在建設中の SPARC 核融合装置のドーナツ型チャンバーを形成するもののわずかに小規模なバージョンです。 これはパンケーキと呼ばれる 16 枚のプレートで構成されており、各プレートの片面には超電導テープの螺旋状の巻きがあり、もう片面にはヘリウムガス用の冷却チャネルが付いています。

しかし、絶縁のない設計はリスクがあると考えられ、テストプログラムでは多くのことが採用されました。 「これは、このいわゆる無絶縁無ねじり技術を使用した磁石の設計、構築、テストに何が必要かを実際に調査した、十分な規模での最初の磁石でした」とハートウィッグ氏は言います。 「これが非絶縁コイルであると発表したとき、コミュニティは非常に驚きました。」

限界への挑戦…そしてその先へ

以前の論文で説明されている最初のテストでは、設計と製造プロセスが機能するだけでなく、非常に安定していることが証明されましたが、これは一部の研究者が疑問視していたことでした。 同じく2021年後半に実施された次の2回のテストでは、壊滅的な過熱につながる可能性のある入力電力の完全な遮断など、不安定な状態を意図的に作り出すことでデバイスを限界まで押し上げた。 クエンチングとして知られるこれは、このような磁石の動作における最悪のシナリオと考えられており、機器を破壊する可能性があります。

テストプログラムの使命の一部は、「科学を進歩させ検証するための適切なスケールと適切な条件で重要なデータを取得できるように、実物大の磁石を実際に作動させて意図的に消火することだった」とハートウィッグ氏は言う。設計コードを確認し、次に磁石を分解して、何が問題になったのか、なぜ問題が発生したのか、そしてそれを修正するために次の反復をどのように行うかを確認します。 …それは非常に成功したテストでした。」

ハートウィッグ氏によると、最終テストは16枚のパンケーキのうち1枚の角が溶けて終了したが、その結果、豊富な新情報が得られたという。 まず、彼らは磁石の性能のさまざまな側面を設計および予測するためにいくつかの異なる計算モデルを使用していました。そして、モデルはほとんどの場合、全体的な予測において一致しており、一連のテストとテストによって十分に検証されていました。現実世界の測定。 しかし、クエンチの効果を予測する際にモデルの予測が乖離したため、モデルの妥当性を評価するために実験データを取得する必要がありました。

「磁石がどのように温まるか、焼き入れが始まるとどの程度温まるか、その結果として磁石のどこに損傷が生じるかをほぼ正確に予測した最高忠実度のモデルです」と彼は言います。 新しいレポートの 1 つで詳細に説明されているように、「そのテストは実際に起こっている物理学を正確に教えてくれました。そして、どのモデルが今後有用で、どのモデルが正しくないので途中でやめるべきかを教えてくれました。」

ホワイト氏は次のように述べています。「基本的に、コイルの性能の他のすべての側面をテストした後、意図的にコイルに対して可能な限り最悪のことを行いました。 そして、コイルの大部分は損傷なく存続していることがわかりました。」一方、1 つの孤立した領域では多少の溶融が発生しました。 「コイルの体積の数パーセントが損傷したようなものです。」 そして、これにより、最も極端な条件下であっても、実際の核融合装置の磁石におけるそのような損傷を防ぐことが期待される設計の改訂が行われました。

ハートウィッグ氏は、チームがこのような画期的な新記録を樹立する磁石の設計を達成し、それを最初から適切に、しかも厳しいスケジュールで達成できた主な理由は、蓄積された深いレベルの知識、専門知識、設備のおかげであると強調しました。アルカトール C-Mod トカマクの数十年にわたる運用、フランシス ビター マグネット研究所、および PSFC で行われたその他の研究の成果です。 「これは、このような場所の組織的能力の核心に関わるものです」と彼は言う。 「私たちには、これらのことを一つ屋根の下で行うための能力、インフラストラクチャー、スペース、人材が揃っていました。」

MIT と CFS が学術機関と民間企業の最も強力な側面を組み合わせて、それぞれ単独では不可能なことを共同で行うために、CFS との協力も重要だったと彼は言います。 「たとえば、CFS からの主な貢献の 1 つは、民間企業の力を活用して、プロジェクトで最も重要な資材である高さ 300 キロメートル (186 マイル) のサプライ チェーンを前例のないレベルとスケジュールで確立し、拡大したことです。 -温度超伝導体は厳格な品質管理のもとで1年以内に調達され、予定通り磁石に組み込まれました。」

MIT と CFS の 2 つのチームの統合も成功には重要であったと彼は言います。 「私たちは自分たちを一つのチームだと考えていたので、私たちがやってきたことが可能になりました。」