El conjunto diseñado para la tercera prueba de cables SULTAN cuenta con dos cables VIPER HTS de 3 metros en paralelo y conectados con un empalme de cobre en la parte inferior; Se inyecta helio criogénico y corriente eléctrica en la parte superior. Una vez instalado en SULTAN. La superestructura exterior proporciona soporte estructural para reaccionar a las enormes cargas corporales electromecánicas laterales generadas dentro de los cables durante las pruebas. Un aspecto único de este diseño, proporcionada por los materiales y la extensión trapezoidal en el plano medio, es la capacidad de tensar axialmente los cables durante la prueba para reproducir mejor las condiciones que experimentarían los cables VIPER dentro de un imán de alto campo. Crédito:Jose Estrada / PSFC
Los científicos han buscado durante mucho tiempo aprovechar la fusión como una fuente de energía inagotable y libre de carbono. En los últimos años, La innovadora tecnología de superconductores de alta temperatura (HTS) generó una nueva visión para lograr energía de fusión práctica. Este enfoque, conocida como la vía de alto campo hacia la fusión, tiene como objetivo generar fusión en dispositivos compactos en una escala de tiempo más corta y con un costo menor que los enfoques alternativos.
Un desafío técnico clave para hacer realidad esta visión, aunque, ha conseguido que los superconductores HTS funcionen de forma integrada en el desarrollo de nuevos imanes superconductores de alto rendimiento, que permitirá campos magnéticos más altos que las generaciones anteriores de imanes, y son fundamentales para limitar y controlar las reacciones plasmáticas.
Ahora, un equipo dirigido por el Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT y la empresa derivada del MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS), ha desarrollado y probado exhaustivamente una tecnología de cable HTS que se puede escalar y diseñar en imanes de alto rendimiento. La investigación del equipo se publicó el 7 de octubre en Ciencia y tecnología de superconductores . Los investigadores incluyeron al profesor asistente del MIT e investigador principal Zachary Hartwig; El Subdirector de Ingeniería de PSFC, Rui F. Vieira, y otro personal técnico y de ingeniería clave de PSFC; Brandon Sorbom, director científico de CFS, Ph.D. '17 y otros ingenieros del CFS; y científicos del CERN en Ginebra, Suiza, y en el Instituto de Investigación Robinson de la Universidad Victoria de Wellington, Nueva Zelanda.
Este desarrollo sigue a un reciente impulso a la vía de campo alto, cuando 47 investigadores de 12 instituciones publicaron siete artículos en el Journal of Plasma Physics, mostrando que un dispositivo de fusión de campo alto, llamado SPARC, construido con tales imanes produciría energía neta, más energía de la que consume, algo nunca antes demostrado.
"La tecnología de cable para SPARC es una pieza importante del rompecabezas mientras trabajamos para acelerar la línea de tiempo para lograr la energía de fusión, "dice Hartwig, profesor asistente de ciencia e ingeniería nucleares, y líder del equipo de investigación del PSFC. "Si tenemos éxito en lo que estamos haciendo y en otras tecnologías, La energía de fusión comenzará a marcar la diferencia en la mitigación del cambio climático, no en 100 años, pero en 10 años ".
Un super cable
La tecnología innovadora descrita en el artículo es un cable superconductor que conduce la electricidad sin resistencia ni generación de calor y que no se degrada bajo condiciones mecánicas extremas. eléctrico, y condiciones térmicas. VIPER de marca (un acrónimo que significa impregnado a presión de vacío, Aislado, Parcialmente transpuesto, Extruido, y laminado), Consiste en cintas delgadas de acero producidas comercialmente recubiertas con compuesto HTS — itrio-bario-óxido de cobre — que se empaquetan en un conjunto de componentes de cobre y acero para formar el cable. Refrigerante criogénico, como el helio supercrítico, puede fluir fácilmente a través del cable para eliminar el calor y mantener el cable frío incluso en condiciones difíciles.
"Uno de nuestros avances fue encontrar una forma de soldar la cinta HTS dentro del cable, convirtiéndolo efectivamente en una estructura monolítica donde todo está conectado térmicamente, ", dice Sorbom. Sin embargo, VIPER también se puede convertir en giros y vueltas, utilizando uniones para crear "casi cualquier tipo de geometría, ", agrega. Esto hace que el cable sea un material de construcción ideal para enrollar en bobinas capaces de generar y contener campos magnéticos de enorme fuerza, tales como los requeridos para hacer dispositivos de fusión sustancialmente más pequeños que los dispositivos de fusión de energía neta actualmente previstos.
Izquierda:miembros del equipo de cable (de izquierda a derecha) Zach Hartwig, Phil Michael, Vinny Fry, y Brandon Sorbom frente a las instalaciones de prueba de SULTAN en Villagen, Suiza. Centro superior:vista del pozo de prueba durante la instalación del cable en SULTAN. Derecha:Un conjunto de cables contiene dos cables VIPER HTS de 3 metros para pruebas SULTAN empaquetados dentro de una superestructura para soporte mecánico. Crédito:Zach Hartwig
Resistente y robusto
"La clave que podemos hacer con el cable VIPER es crear un campo magnético dos o tres veces más fuerte en el tamaño requerido que la generación actual de tecnología de imanes superconductores, "Dice Hartwig. La magnitud del campo magnético en los tokamaks juega un papel no lineal importante en la determinación del rendimiento del plasma. Por ejemplo, La densidad de potencia de fusión se escala como campo magnético a la cuarta potencia:duplicar el campo aumenta la potencia de fusión en 16 veces o, en cambio, se puede lograr la misma potencia de salida de fusión en un dispositivo 16 veces más pequeño en volumen.
"En el desarrollo de imanes de alto campo para la fusión, Los cables HTS son un ingrediente esencial, y han estado perdidos "dice Soren Prestemon, director del Programa de Desarrollo de Magnet de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que no participó en esta investigación. "VIPER es un gran avance en el área de la arquitectura de cables, posiblemente el primer candidato que se demuestre que es viable para la fusión, y permitirá el paso crítico hacia la demostración en un reactor de fusión".
La tecnología VIPER también presenta un enfoque poderoso para un problema particular en el campo magnético superconductor, llamado un apagamiento, "eso ha aterrorizado a los ingenieros desde que comenzaron a construir imanes superconductores, "dice Hartwig. Un enfriamiento rápido es un aumento drástico de temperatura que ocurre cuando los cables fríos ya no pueden conducir corriente eléctrica sin ninguna resistencia. Cuando ocurre el enfriamiento rápido, en lugar de generar calor casi nulo en el estado superconductor, la corriente eléctrica genera un calentamiento resistivo sustancial en el cable.
"El rápido aumento de temperatura puede hacer que el imán se dañe o se destruya potencialmente si no se corta la corriente eléctrica, "dice Hartwig." Queremos evitar esta situación o, que no, al menos conózcalo tan rápido y con certeza como sea posible ".
El equipo incorporó dos tipos de tecnología de fibra óptica de detección de temperatura desarrollada por colaboradores del CERN y el Instituto de Investigación Robinson. Las fibras exhibieron, por primera vez en cables HTS a gran escala y en condiciones representativas de imanes de fusión de alto campo magnético, detección sensible y de alta velocidad de cambios de temperatura a lo largo del cable para monitorear el inicio del enfriamiento.
Otro resultado clave fue la incorporación exitosa de baja resistencia eléctrica, y uniones mecánicamente robustas entre cables VIPER. Las articulaciones superconductoras suelen ser complejas, desafiante de hacer, y es más probable que falle que otras partes de un imán; VIPER fue diseñado para eliminar estos problemas. Las articulaciones VIPER tienen la ventaja adicional de ser desmontables, lo que significa que se pueden desmontar y reutilizar sin afectar el rendimiento.
Prestemon señala que la arquitectura innovadora del cable impacta directamente en los desafíos del mundo real en la operación de los reactores de fusión del futuro. "En una instalación comercial real de producción de energía de fusión, el calor intenso y la radiación en el interior del reactor requerirán reemplazos de componentes de rutina, ", dice." Ser capaz de desmontar estas uniones y volver a unirlas es un paso importante para hacer de la fusión una propuesta rentable ".
Los 12 cables VIPER que construyó el equipo de Hartwig, corriendo entre uno y 12 metros de longitud, fueron evaluados con pruebas de flexión, miles de ciclos mecánicos repentinos "on-off", múltiples ciclos térmicos criogénicos, y docenas de eventos similares a los de extinción para simular el tipo de condiciones de castigo que se encuentran en los imanes de un dispositivo de fusión. El grupo completó con éxito cuatro campañas de prueba de varias semanas en cuatro meses en las instalaciones de SULTAN, un centro líder para la evaluación de cables superconductores operado por Swiss Plasma Center, afiliado a Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suiza.
"Esta tasa sin precedentes de pruebas de cables HTS en SULTAN muestra la velocidad a la que la tecnología puede ser avanzada por un equipo sobresaliente con la mentalidad de ir rápido, la voluntad de asumir riesgos, y los recursos para ejecutar, ", dice Hartwig. Es un sentimiento que sirve como base del proyecto SPARC.
El equipo de SPARC continúa mejorando el cable VIPER y avanza hacia el próximo hito del proyecto a mediados de 2021:"Construiremos un modelo de bobina de varias toneladas que será similar al tamaño de un imán a gran escala para SPARC, ", dice Sorbom. Estas actividades de investigación continuarán impulsando las tecnologías de imanes fundamentales para SPARC y permitirán la demostración de la energía neta de la fusión, un logro clave que indica que la fusión es una tecnología energética viable. "Ese será un momento decisivo para la energía de fusión, "dice Hartwig.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
