33 293
24 марта 2022 в 8:00
Автор: Виталий Олехнович

Солнце в бутылке. Ученые создали прорывные магниты

Сверхпроводящие магниты Большого адронного коллайдера выдают индукцию магнитного поля до 8,3 тесла (Тл). 18 D-образных низкотемпературных магнитов для экспериментального реактора ITER на максимуме своих возможностей смогут выдавать 11,8 Тл, чтобы удерживать плазму. При этом каждая такая катушка весит 360 тонн и достигает 17 метров в высоту. Ученые Массачусетского технологического института (MIT) совершили прорыв: они создали новые компактные сверхпроводящие магниты, которые генерируют поле в 20 Тл. Аналогичная установка на низкотемпературных магнитах должна быть в 40 раз больше. Прорыв делает управляемый термоядерный синтез намного ближе к реальности.

В 2018 году группа ученых из MIT основала компанию Commonwealth Fusion Systems (CFS). Мы затрагивали ее мельком в обзоре последних достижений в гонке за управляемым термоядерным синтезом. Сегодня CFS — это одна из самых перспективных компаний в этой сфере — по большей части благодаря чрезвычайно мощным магнитам, которые способны удерживать плазму для выработки тепла и генерации электричества.

Синтез — это процесс, который питает солнце: слияние двух маленьких атомов в один более крупный, высвобождающий огромное количество энергии. Но этот процесс требует температур, намного превышающих те, которые может выдержать любой твердый материал. Чтобы захватить источник солнечной энергии здесь, на Земле, необходим способ захватить и удержать что-то настолько горячее — 100 000 000 градусов или более — путем подвешивания таким образом, чтобы предотвратить его контакт с чем-либо твердым.

Это достигается с помощью интенсивных магнитных полей, которые образуют своего рода невидимую бутылку, в которой бурлит плазма.

Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта многих ученых на протяжении более чем полувека. Если она исполнится, человечество сможет заполучить практически неограниченный источник более чистой энергии. Но пока ученые не смогли создать термоядерные системы, которые бы производили больше энергии, чем потребляли.

CFS основала площадку в Массачусетсе, где собирается построить свой прототип реактора и завод по производству магнитов. Прототип должен будет доказать, что реактор будет производить больше энергии, чем потреблять. Компания же надеется, что реактор будет производить в 10 раз больше энергии, чем нужно для его работы. Магниты будут изготавливать путем нанесения тонкой пленки экзотических материалов на подложку, похожую на видеоленту.

Фото: New York Times

Ключ к чистой энергии

Ключевая технология CFS и их коллег из MIT — высокотемпературные сверхпроводящие электромагниты. 5 сентября 2021 года они смогли продемонстрировать напряженность поля до 20 Тл. Как мы писали выше, это значительно превосходит существующие сейчас на Земле разработки.

Для этого использовали высокотемпературный сверхпроводник — редкоземельный оксид бария-меди. В промышленности его выпускают в виде ленты. Ученые использовали 267 километров такой пленки, чтобы сделать 16 плоских магнитов. Их сложили в конструкцию, которая по форме похожа на букву D. Эта форма будет окружать собой высокотемпературную плазму для ее удержания в стабильном состоянии.

Прежде чем магниты смогут генерировать магнитное поле, их надо охладить. Это одна из главных проблем подобных термоядерных реакторов. В установке ITER будут использоваться низкотемпературные сверхпроводящие магниты. Они требуют охлаждения до 4 кельвинов (−269 градусов по Цельсию). Для этого нужно много энергии.

Магниты CFS — высокотемпературные. Первые высокотемпературные сверхпроводящие соединения открыли еще в 1986-м в IBM. Годом позже Йоханнес Георг Беднорц и Карл Александер Мюллер получили Нобелевскую премию по физике за свое открытие.

Эти соединения способны сохранять сверхпроводящие свойства при гораздо более высоких температурах — вплоть до 90 кельвинов (−183 по Цельсию). Но тогда эти новые сверхпроводники создавались в форме хрупких кристаллов, непригодных для производства магнитов. Шли десятилетия, со временем исследователи нашли способ упаковать сверхпроводник, нанеся его в виде тонкой пленки на прочную стальную подложку.

20 Тл магниты CFS генерируют при температуре в 20 кельвинов (-253 градуса по Цельсию). Однако для будущего прототипа им будет достаточно и 12 Тл, так что столь сильное охлаждение не понадобится.

В итоге CFS использует высокотемпературные сверхпроводники, которые обеспечивают гораздо более сильное магнитное поле в меньшем пространстве. Этот скачок мощности в сопоставлении с размером и является ключом к революции. Возможной революции.

«Теперь у нас есть платформа, которая очень продвинута с научной точки зрения благодаря десятилетиям исследований этих машин, а также очень интересна в коммерческом плане. Это позволяет нам создавать устройства быстрее, компактнее и с меньшими затратами», — говорит Мартин Гринвальд, заместитель директора и старший научный сотрудник, представляющий MIT в проекте.

Что дальше?

Commonwealth Fusion Systems ставит своей целью построить компактный реактор термоядерного синтеза. Сперва это будет демонстрационный реактор SPARC, который впервые хотят запустить уже в 2025 году.

Первоначально CFS получила $50 млн финансирования от итальянской нефтегазовой компании Eni, во втором инвестиционном раунде в проект вложились фонд Билла Гейтса, а также несколько инвестиционных компаний — на общую сумму более $115 млн. После демонстрации сверхпроводящих высокотемпературных магнитов компания получила еще более $1,8 млрд и начала разрабатывать площадку для будущего реактора. Инвесторы удостоверились в потенциале технологии и понесли деньги.

Основываясь на теоретических расчетах, прототип сможет вырабатывать в 10 раз больше энергии, чем затрачивать. Общая мощность установки будет варьироваться в пределах 50—100 МВт.

Первая фаза проекта была завязана на магнитах. Три года ушло на стадию исследований и разработки. Вторая фаза — это четыре года непосредственной сборки установки.

Следом за SPARC, если демонстрация окажется успешной, приступят к строительству полноценной термоядерной электростанции ARC, которая будет подключена к электросети и непрерывно генерировать энергию. Ожидается, что это случится ближе к 2030 году.

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!


питание: аккумулятор, Li-ion, 1400 об/мин, 34 Н·м, напряжение аккумулятора: 12 В, ёмкость аккумулятора: 2 А·ч, аккумулятор в комплекте, 950 г
питание: аккумулятор, Li-ion, 1700 об/мин, 30 Н·м, напряжение аккумулятора: 12 В, ёмкость аккумулятора: 1.5 А·ч, аккумулятор в комплекте, 1100 г
питание: аккумулятор, Li-ion, 1600 об/мин, 30 Н·м, напряжение аккумулятора: 12 В, ёмкость аккумулятора: 2 А·ч, аккумулятор в комплекте, 720 г

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by

Автор: Виталий Олехнович