MIT 제네시스 핵융합, 세계 기록 경신! 고온초전도자석으로 항성에너지 방출, 인공태양 탄생 임박?

청정에너지의 성배를 잡았다구요?

"하룻밤 사이에 MIT 팀은 핵융합로의 와트당 비용을 거의 1/40로 줄여 핵융합 기술의 상업적 이용을 가능하게 했습니다!"

최근 MIT 플라즈마 과학 및 융합 센터와 Commonwealth Fusion Systems(CFS)이 종합 보고서를 발표했습니다.

이 보고서는 "IEEE Transactions on Applied Superconductivity" 3월 특집호에 6개의 독립적인 연구 논문을 인용하여 다음을 입증합니다.

MIT는 2021년 실험에서 "고온 초전도 자석"을 사용했고, 절연 설계는 완전히 실현 가능하고 신뢰할 수 있습니다.

또한 실험에 참여한 팀이 사용한 독특한 초전도 자석이 핵융합 발전소의 기반으로 충분하다는 것도 확인했습니다.

이것은 "핵융합"이 실험실의 과학 연구 프로젝트를 통해 곧 상용화 기술이 될 것임을 나타냅니다.

논문 주소:

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

그리고 이 모든 것은 2021년 MIT에서 시작됩니다. 시작해요 세계 기록을 세운 핵융합 실험으로요.

"초전도 자석"이 자기장 강도 세계 기록을 세웠습니다

2021년 9월 5일 이른 아침, MIT 플라즈마 과학 융합 센터(PSFC) 연구실에서 엔지니어들은 중요한 이정표를 달성했습니다 ——

"고온 초전도 물질"로 만든 새로운 유형의 자석이 20테슬라의 대규모 자기장 강도에 대한 세계 기록을 달성했습니다.

아시다시피 20테슬라는 정확히 핵융합 발전소를 건설하는 데 필요한 자기장 강도입니다.

과학자들은 순 전력 출력을 생산하고 잠재적으로 거의 무제한 발전 시대를 열 것으로 예상한다고 예측합니다.

자석이 핵심 기술인 SPARC로 알려진 새로운 핵융합 장치의 설계에 대해 설정된 모든 기준을 충족하면서 실험은 성공적이었습니다.

지친 엔지니어들이 자랑스러운 성과를 축하하기 위해 샴페인을 열었습니다. 그들은 이를 위해 길고도 힘든 노력을 기울여 왔습니다.

그러나 과학자들은 그들의 연구에서 멈추지 않았습니다.

다음 몇 달 동안 팀은 자석의 구성 요소를 분해하고 검사하면서 테스트 세부 사항이 기록된 수백 대의 장비에서 나온 데이터를 면밀히 조사하고 분석했습니다.

또한 동일한 자석에 대해 두 가지 테스트를 더 수행했으며 궁극적으로 가능한 오류 모드에 대한 세부 정보를 알아보기 위해 한계까지 테스트했습니다.

실험의 초전도 자석이 다양한 극한 시나리오에서 안정적으로 작동할 수 있는지 추가로 검증하는 것이 목적입니다.

최근 PSFC 이사직을 사임한 히타치 미국 공과대학 교수 데니스 와이트(Dennis Whyte)는 "A팀이 ​​저온유지장치 용기에 자석을 넣었다"고 말했다. 내 생각에는 "자석의 성공적인 테스트는 지난 30년 동안 핵융합 연구에서 가장 중요한 일이었습니다."

"하룻밤 사이에 핵융합로의 와트당 비용이 하루 만에 거의 40배나 떨어졌습니다."

이제 핵융합에 기회가 생겼습니다. "토카막"은 현재 가장 널리 사용되는 핵융합 실험 장치 설계입니다.

"제 생각에는 토카막이 저렴해질 기회가 있다고 생각합니다. 알려진 물리적 규칙의 제약 하에서 핵융합을 달성하는 데 필요한 장치의 크기와 비용을 크게 줄일 수 있기 때문입니다. 이는 질적인 도약입니다."

6개의 논문에 MIT 자석 테스트의 포괄적인 데이터가 자세히 설명되어 있습니다.

그런 다음 분석에 따르면 MIT와 CFS가 설계한 차세대 핵융합 장비는 물론 다른 상업용 핵융합 회사가 설계한 유사한 설계도 완전히 과학적으로 실현 가능합니다.

핵융합이며 초전도성의 획기적인 발전입니다

핵융합은 가벼운 원자를 무거운 원자로 결합하여 태양과 별에 에너지를 제공하는 과정입니다.

그러나 지구에서 이 프로세스를 활용하는 것은 어려운 도전임이 입증되었습니다.

수십년 동안 사람들은 엄청난 노력을 기울였으며 실험 장치 연구에 수십억 달러를 지출하기도 했습니다.

사람들이 추구하지만 결코 달성하지 못한 목표는 소비하는 것보다 더 많은 에너지를 생산하는 융합 발전소를 건설하는 것입니다.

이러한 발전소는 운영 중에 온실가스를 배출하지 않고 전기를 생산할 수 있으며 대량의 방사성 폐기물을 생성하지 않습니다.

그리고 바닷물에서 추출한 수소에서 나오는 핵융합 연료는 거의 무궁무진합니다.

그러나 핵융합이 성공하려면 연료를 극도로 높은 온도와 압력에서 압축해야 합니다.

이러한 온도를 견딜 수 있는 알려진 물질이 없기 때문에 연료를 가두기 위해서는 매우 강력한 자기장을 사용해야 합니다.

이렇게 강력한 자기장을 생성하려면 '초전도 자석'이 필요한데, 기존의 핵융합 자석은 모두 초전도 물질로 만들어졌는데요, 이 물질은 절대 영도(4켈빈)보다 약 4도 높은 온도가 필요합니다. - 섭씨 270도).

최근에는 REBCO(희토류 바륨 구리 산화물)라는 신소재가 핵융합 자석에 사용되기 시작했습니다.

핵융합 자석이 20켈빈의 온도에서 작동할 수 있게 해주며, 이는 4켈빈보다 16켈빈만 높지만 재료 특성과 실제 엔지니어링 측면에서 상당한 이점을 가지고 있습니다.

새로운 고온 초전도 물질은 초전도 자석을 만드는 데 사용되는 거의 모든 원리를 재설계한 것입니다.

이 새로운 고온 초전도 소재가 초전도 자석을 제조하는 데 사용된다면 선행 기술을 기반으로 개선 될뿐만 아니라 처음부터 혁신과 연구 개발이 필요합니다.

저널 "Transactions on Applied Superconductivity"에 실린 새 논문에서는 이 재설계 프로세스에 대해 자세히 설명하고 있으며 특허 보호가 이미 시행되고 있습니다.

REBCO를 최대한 활용하기 위해 연구원들은 TSTC 아키텍처를 기반으로 산업용 확장 가능한 고전류 "VIPER REBCO" 케이블을 재설계했습니다.

VIPER REBCO 케이블에는 다음과 같은 확실한 장점이 있습니다.

- 안정적인 전류 저하가 5% 미만입니다.

- 2~5nΩ 범위의 견고한 탈착식 헤더가 특징입니다.

- 처음으로 REBCO의 낮은 정상 영역 전파 속도에 적합한 융합 관련 조건에서 전체 크기 도체에 대해 두 가지 다른 케이블 담금질 테스트를 수행할 수 있습니다.

주요 혁신: 절연층이 없는 디자인

이 초전도 자석의 또 다른 놀라운 디자인은 자석의 얇고 평평한 초전도 스트립 주위의 절연체를 제거하는 것입니다.

전통적인 디자인에서 초전도 자석은 단락으로부터 보호하기 위해 절연재로 둘러싸여 있습니다.

그리고 이 새로운 초전도 자석에서는 초전도 스트립이 완전히 노출됩니다.

과학자들은 REBCO의 더 강한 전도성을 사용하여 전류가 재료를 통해 정확하게 흐르도록 합니다.

초전도 자석 개발을 담당하고 있는 MIT 원자력공학과 Zach Hartwig 교수는 이렇게 말했습니다. 온도 초전도체는 아직 초기 단계에 불과했습니다. "

"이러한 규모를 바탕으로 우리의 자석 연구 개발 프로젝트는 매우 짧은 시간에 본격적인 자석 개발을 완료했습니다."

팀은 마침내 10톤에 가까운 자석을 제조했습니다. 이 자석은 20테슬라보다 높은 안정적이고 균일한 자기장을 생성합니다.

"이러한 자석을 만드는 표준 방법은 권선 주위에 도체를 감싸고 권선 사이에 절연층을 놓는 것입니다. 정지와 같은 예상치 못한 상황에서 생성되는 고전압을 처리하려면 절연층이 필요합니다."

"이 절연층을 제거하면 저전압 시스템이라는 장점이 있습니다. 제조 공정과 일정이 크게 단순화됩니다."

이것은 또한 냉각 또는 더 강한 구조를 위한 충분한 공간을 남겨줍니다.

CFS에서 제작 중인 SPARC 핵융합 장치의 도넛 모양 공동을 형성하는 약간 작은 자석 어셈블리입니다.

이 캐비티는 "팬케이크"라고 불리는 16개의 플레이트로 구성되어 있습니다. 각 플레이트의 한쪽은 나선형 초전도 스트립으로 둘러싸여 있고 다른 쪽은 헬륨 냉각 채널입니다.

"그러나 비절연층 설계는 대부분의 사람들이 보기에도 매우 위험하고, 테스트 단계에서도 매우 위험합니다."

교수는 "이것은 비절연층과 비틀림 방지 기술을 사용하여 자석의 설계, 제조 및 테스트와 관련된 문제를 탐색할 수 있는 충분한 규모의 최초의 자석입니다."라고 말했습니다.

"팀이 이것이 비절연 코일이라고 발표했을 때 커뮤니티 전체가 매우 놀랐습니다."

극한 테스트 완료, 대규모 상용화 예정?

이전 논문에 설명된 첫 번째 실험은 일부 연구자들이 의구심을 표명했지만 이러한 설계 및 제조 공정이 실현 가능할 뿐만 아니라 매우 안정적이라는 것을 입증했습니다.

역시 2021년 말에 진행된 다음 두 번의 테스트에서는 입력 전원을 완전히 차단하는 등 의도적으로 불안정한 조건을 만들어 장비의 작동 조건을 한계까지 밀어붙였고, 이로 인해 치명적인 과열이 발생할 수 있었습니다.

이러한 상황을 "담금질"이라고 하며 이러한 자석의 작동 중에 발생할 수 있는 최악의 경우로 간주되며, 이는 장비를 직접적으로 파괴할 수도 있습니다.

테스트 계획의 일부는 Hartwig가 말했습니다. "실제로 나가서 의도적으로 전체 크기의 자석을 꺼서 올바른 규모와 올바른 조건에서 중요한 데이터를 얻어 과학을 발전시키고 검증할 수 있습니다. 디자인 코드." .

"그런 다음 자석을 분해하여 무엇이 잘못되었는지, 왜 잘못되었는지, 그리고 다음 반복을 통해 문제를 해결할 수 있는 방법을 확인했습니다. 결과적으로 엄청난 성공을 거두었습니다.”

하트위그는 최종 테스트가 16개의 "팬케이크" 중 한 쪽 귀퉁이가 녹는 것으로 끝났지만 많은 새로운 정보를 생산했다고 말했습니다.

먼저, 그들은 자석 성능의 다양한 측면을 설계하고 예측하기 위해 여러 가지 계산 모델을 사용해 왔으며 대부분의 경우 이러한 모델은 일련의 테스트와 실제 측정을 통해 전반적인 예측에서 일관적입니다. 확인되었습니다.

그러나 "담금질" 효과를 예측할 때 모델의 예측 결과가 벗어나기 때문에 모델의 유효성을 평가하기 위해서는 실험 데이터를 얻을 필요가 있습니다.

연구원들이 개발한 모델은 자석이 어떻게 가열되는지, 담금질이 시작될 때 가열되는 정도, 그리고 그에 따른 자석의 손상을 거의 정확하게 예측합니다.

실험은 실제 물리학을 정확하게 설명하고 과학자들이 미래에 어떤 모델이 유용하고 어떤 모델이 부정확할지 이해할 수 있게 해줍니다.

코일의 모든 측면의 성능을 테스트한 후 과학자들은 의도적으로 최악의 코일 시뮬레이션도 만들었습니다.

코일의 손상된 부분은 코일 부피의 몇 퍼센트만을 차지하는 것으로 나타났습니다.

이 결과를 바탕으로 그들은 가장 극한 조건에서도 실제 핵융합 장치의 자석이 이 정도 규모로 손상되는 것을 방지할 수 있을 것으로 기대하면서 계속해서 설계를 수정했습니다.

하르트위그 교수는 팀이 이렇게 기록적인 새로운 자석 디자인을 완성하고, 극도로 빠른 속도로 완성할 수 있었던 이유는 주로 알카텔 C-Mod Toka가 수십 년 동안 개발해온 덕분이라고 강조했습니다. Mark and Francis Bit Magnet Laboratory의 심층적인 지식, 전문 지식 및 장비와 PSFC에서 수행한 기타 작업.

앞으로도 청정전력의 대규모 상업적 이용을 달성하기 위한 실험은 계속해서 진전될 것입니다.