MITジェネシスの核融合が世界記録を更新！高温超伝導磁石が星のエネルギーを解き放つ、人工太陽が誕生しようとしているのか?

クリーン エネルギーの聖杯は捕らえられましたか?

「MITチームは一夜にして核融合炉のワット当たりのコストをほぼ40分の1に削減し、核融合技術の商業利用を可能にしました。」

最近、MIT プラズマ科学・核融合センターとコモンウェルス核融合システム (CFS) が包括的なレポートを発行しました。

このレポートは、「応用超電導に関する IEEE トランザクション」の 3 月特別号に掲載された 6 件の独立した研究論文を引用しており、次のことを証明しています。 #MIT が 2021 年の実験で使用する「高温超電導磁石」と非絶縁設計は完全に実現可能で信頼性があります。

研究チームが実験で使用した独自の超電導磁石が、核融合発電プラントの基礎として十分であることも実証されました。

これは、「核融合」が実験室での科学研究プロジェクトから間もなく商業化される技術になることを示しています。

https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult。 jsp?isnumber=10348035&punumber=77

そしてすべては、2021 年に MIT で行われる世界記録の核融合実験から始まります。

2021年9月5日早朝、MITプラズマ科学融合センター(PSFC) ) 研究室、エンジニアが大きなマイルストーンを達成 -

# 「高温超電導材料」で作られた新しいタイプの磁石が 20 テスラの大きさに到達 規模の世界記録磁場の強さ。

ご存知のとおり、20 テスラはまさに核融合発電所の建設に必要な磁場の強さです。

科学者らは、この発電機が正味の電力出力を生み出すことが期待されており、事実上無制限の発電時代の到来をもたらす可能性があると予測しています。

実験は、磁石が重要な実現技術である SPARC として知られる新しい核融合装置の設計に設定されたすべての基準を満たしながら成功したことが証明されました。

疲れ果てたエンジニアたちは、誇らしい成果を祝うためにシャンパンを開けました。彼らはこのために長くて骨の折れる努力をしてきました。

しかし、科学者たちは研究をやめませんでした。

次の数か月にわたって、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徹底的に調べて分析しました。

彼らは同じ磁石に対して他の 2 つのテストも実施し、最終的には限界までテストして、考えられる故障モードの詳細を調べました。

その目的は、実験での超電導磁石がさまざまな極端なシナリオで安定して動作できるかどうかをさらに検証することです。

#チームが磁石をクライオスタット容器に入れる

核融合発電、コストが 40 分の 1 に削減

日立アメリカの工学教授で、最近PSFC所長を辞任したデニス・ホワイト氏は、「私の意見では、磁石の試験の成功は、過去30年間の核融合研究において最も重要なことである」と述べた。 。」

「一夜にして、核融合炉のワット当たりのコストは、1 日で 40 分の 1 近く低下しました。」

今、核融合にはチャンスがあります。 「トカマク」は現在最も広く使用されている核融合実験装置設計です。

「私の意見では、物理法則の既知の制約を考慮すると、核融合に必要な時間を大幅に短縮できるため、トカマクは手頃な価格になる可能性があります。これは定性的なものです。」必要なデバイスのサイズとコストの点で飛躍的になります。」

6 つの論文で、MIT の磁石テストからの包括的なデータが詳しく説明されています。

その後、分析により、MIT と CFS によって設計された新世代の核融合装置、および他の商用核融合企業による同様の設計が科学的に実現可能であることが示されました。

これは核融合であり、超伝導の画期的な進歩です。

核融合は、軽い原子を重い原子に結合するプロセスです。原子。太陽や星にエネルギーを供給します。

しかし、地球上でこのプロセスを利用することは困難な課題であることが判明しています。

過去数十年にわたり、実験装置の研究には多大な努力が払われ、数十億ドルも費やされてきました。

追求されてきたものの、決して達成されなかった目標は、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、温室効果ガスを排出せずに発電でき、大量の放射性廃棄物を生成しません。

海水から抽出された水素から得られる核融合用の燃料は、ほぼ無限にあります。

# ただし、核融合が成功するには、燃料を非常に高い温度と圧力で圧縮する必要があります。

このような温度に耐えられる既知の材料はないため、燃料を閉じ込めるには非常に強力な磁場を使用する必要があります。

このような強力な磁場を発生させるには「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超電導材料で作られており、約100℃程度の温度が必要でした。絶対零度より 100 度高い温度、4 度 (4 ケルビン、または -270 度) の低温。

近年、REBCO（希土類バリウム銅酸化物）と呼ばれる新素材が核融合磁石に使われ始めています。

これにより、核融合磁石を 20 ケルビンの温度で動作させることができます。これは、4 ケルビンよりも 16 ケルビン高いだけですが、材料特性と実際の工学の点で大きな利点があります。

新しい高温超電導材料は、超電導磁石の製造に使用されるほぼすべての原理を再設計したものです。

この新しい高温超電導材料を用いて超電導マグネットを製造するには、従来の材料を改良するだけではなく、ゼロからの革新と研究開発が必要となります。

ジャーナル Transactions on Applied Superconductivity に掲載された新しい論文では、この再設計プロセスの詳細が説明されており、特許保護はすでに導入されています。

REBCO を最大限に活用するために、研究者は TSTC アーキテクチャに基づいて産業用スケーラブルな大電流「VIPER REBCO」ケーブルを再設計しました。

VIPER REBCO ケーブルには次の明らかな利点があります:

- 安定した電流劣化は 5% 未満です。

- 2 ～ 5nΩ の範囲の頑丈な取り外し可能なヘッダーを備えています;

- REBCO の低い法線ゾーン伝播速度に適した融着関連条件下で、フルサイズの導体に対して 2 つの異なるケーブル クエンチ テストを初めて実行できます。

主要な革新: 絶縁層のない設計

この超電導磁石のもう 1 つの驚くべき設計は、超電導ストリップを囲む薄くて平らな磁石の絶縁体を取り除いたことです。

従来の設計では、超電導磁石は短絡から保護するために絶縁材料で囲まれています。

この新しい超電導マグネットでは、超電導ストリップが完全に露出しています。

科学者は、REBCO のより強力な導電性を利用して、材料に電流を正確に流し続けます。

マサチューセッツ工科大学原子力科学工学部の教授で超電導磁石の開発責任者であるザック・ハートウィッグ氏は、次のように述べています。高温超伝導体を用いた大規模な高磁場磁石は、この技術はまだ非常に初期段階にあり、小規模な実験しか実行できません。"

"私たちの磁石の研究開発プロジェクト

チームは最終的に10トン近い磁石を製作し、 20 テスラを超える安定した均一な磁場。

「これらの磁石を作る標準的な方法は、巻線の周りに導体を巻き付け、巻線の間に絶縁層を置くことです。シャットダウンなどの予期せぬ事態に対処するには絶縁層が必要です。高電圧"。

「この絶縁層を除去する利点は、システムが低電圧であることです。製造プロセスとスケジュールが大幅に簡素化されます。」

これにより、冷却やより強度の高い構造のための十分な余地も残されます。

わずかに小さい磁石アセンブリは、CFS が建設中の SPARC 核融合装置のドーナツ型の空洞を形成します。

このキャビティは「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、各プレートの片面はスパイラルのスーパー伝導帯で包まれており、反対側はヘリウム冷却チャネルです。

「しかし、ほとんどの人の目には、絶縁層のない設計は非常に危険であり、テスト段階であっても大きなリスクがあります。」

教授は、「これは、この非絶縁層と非ねじれ技術を使用した磁石の設計、製造、テストに伴う問題を調査するのに十分な規模の最初の磁石です。」と述べました。

「チームがこれが絶縁されていないコイルであると発表したとき、コミュニティ全体が驚きました。」

徹底的なテストは完了し、大規模な商業利用が目前に迫っていますか?

以前の論文で説明した最初の実験では、一部の研究者は疑問を表明していましたが、このような設計と製造プロセスは実現可能であるだけでなく、非常に安定していることが実証されました。

次の 2 つのテストも 2021 年末に実施され、入力電源を完全にオフにするなど、意図的に不安定な状態を作り出すことで、機器の動作条件を限界まで引き上げました。致命的な過熱を引き起こす可能性があります。

この状況は「クエンチング」と呼ばれ、このような磁石の動作中に発生する可能性のある最悪のシナリオと考えられており、機器を直接破壊する可能性があります。

ハートウィッグ氏は、テスト計画の一部は、「実際に出かけて、フルサイズの磁石を意図的に焼き入れて、適切なスケールで適切なレベルで重要なデータを取得できるようにすることです」と述べました。科学的発展を促進し、設計コードを検証するための条件。」

"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、次の反復でどのように修正できるかを確認します。 ..最終的な結果は、非常に成功した実験であることが判明しました。」

最終テストは16枚の「パンケーキ」の1つの角が溶けて終了したが、大量の新しい情報が得られたとハートウィッグ氏は語った。

第一に、彼らは磁​​石の性能の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おり、ほとんどの場合、モデルは全体的な予測において一貫しており、十分に検証されています。一連のテストと実際の測定を通じて。

ただし、「消光」効果を予測する場合、モデルの予測結果が乖離したため、モデルの有効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す。

研究者らが開発したモデルは、磁石がどのように加熱されるか、焼き入れが始まったときの温度上昇の程度、およびそれによる磁石の損傷をほぼ正確に予測します。

この実験は、実際に行われている物理現象を正確に記述しており、科学者はどのモデルが将来有用になるか、どのモデルが不正確になるかを理解することができます。

コイルのあらゆる側面の性能をテストした後、科学者は意図的にコイルの可能な限り最悪のシミュレーションを作成しました。

コイルの損傷領域はコイル体積の数パーセントにすぎないことが判明しました。

この結果をもとに、実際の核融合装置では、たとえ環境下であってもこの規模の磁石の損傷を防ぐことができるのではないかと考え、設計の修正を続けてきました。最も極限の状況。

ハートウィッグ教授は、チームがこれほど記録的な新しい磁石の設計を完成させ、最初の段階で非常に早くそれを達成できた理由を強調しました。完成の速さは主に、アルカテル C-Mod トカマク、フランシス ビット マグネット研究所、および PSFC が実施したその他の研究で数十年にわたって蓄積された深い知識、専門知識、設備によるものです。

今後もクリーンな電気の大規模商用利用の実現に向けて実験が進められます。