Za posledních 20 let, MIT Plasma Science a Fusion Center (PSFC) experimentuje s jadernou fúzi na světě nejmenší tokamak-typ (ve tvaru koblihy) jaderné fúze zařízení-Alcator C-Mod.
cíl? Vyrobit nejmenší fúzní reaktor na světě-ten, který rozdrtí fúzní reakci ve tvaru koblihy na poloměr 3,3 metru-tři z nich by mohly pohánět město velikosti Bostonu.
a výzkumníci MIT se blíží ke svému cíli, navzdory nedávnému snížení federálního financování, které by mohlo zpomalit jejich pokrok.
ponaučením z MIT je menší Alcator C-Mod fusion zařízení umožnily výzkumným pracovníkům, včetně MIT, Ph. D kandidát Brandon Sorbom a PSFC Ředitel Dennis Whyte, rozvíjet koncepční OBLOUKU (cenově dostupné, robustní, kompaktní) reaktoru.
„chtěli jsme vyrábět něco, co by mohlo vyrábět energii, ale být co nejmenší,“ řekl Sorbom.
pracovní ARC fúzní reaktor bude používat 50 megawattů (MW) výkon produkovat 500 MW energie z jaderné syntézy, 200MW, která by mohla být dodána do rozvodné sítě. To stačí k zajištění 200 000 lidí elektřinou.
podívejte se dovnitř MIT C-Mod, který je jen 0.68 metrů v okruhu-nejmenší fúzní reaktor s nejsilnější magnetické pole v celém světě.
Zatímco další tři fusion zařízení zhruba stejnou velikost jako OBLOUK byly postaveny v průběhu posledních 35 let, neměli vyrábět kdekoliv v blízkosti jeho moci. To, co odlišuje MIT reaktor od sebe, je jeho supravodič technologie, která by mu umožnila vytvořit 50 krát sílu to vlastně kreslí. (MIT PSFC loni publikoval článek o prototypu obloukového reaktoru v recenzovaném časopise ScienceDirect.)
ARC reaktor je silné magnety jsou modulární, což znamená, že může být snadno odstraněna a centrální vakuové nádoby, ve které dojde k fúzní reakce mohou být nahrazeny rychle; kromě toho umožňuje upgrady, vyjímatelná nádoba znamená, že jedno zařízení může být použit k testování mnoha vakuové nádoby vzory.
fúzní reaktory pracují super ohřevem plynného vodíku ve vakuu, fúzí atomů vodíku tvoří helium. Stejně jako u štěpení atomů v dnešních štěpných jaderných reaktorech, fúze uvolňuje energii. Úkolem fúze bylo omezit plazmu (elektricky nabitý plyn) při zahřívání mikrovlnami na teploty teplejší než Slunce.
Udržitelné energie
výsledkem úspěšně budování OBLOUKOVÉHO reaktoru by být hojný zdroj čisté a spolehlivé energie, protože potřebné palivo-vodík izotopy-je neomezený zdroj na Zemi.
“ to, co jsme udělali, je vytvořit vědecký základ…pro, Ve skutečnosti, ukazuje, že existuje životaschopná cesta vpřed ve vědě o zadržování tohoto plazmatu, aby se čistá fúzní energie-nakonec, “ řekl Whyte.
výzkum jaderné Fúze je dnes na prahu zkoumání „pálení plazmou,“ přes který teplo z fúzní reakce je omezena v plazmě dostatečně efektivně pro reakci být udržována po dlouhou dobu.
pohled na exteriér jaderného fúzního zařízení MIT C-Mod. Projekt C-Mod připravil cestu pro koncepční obloukový reaktor.
Normálně, plyn, např. vodík tvoří neutrální molekuly poskakovat kolem. Při přehřátí plynu, nicméně, elektrony oddělené od jádra vytváří polévka nabitých částic chrastící kolem při vysoké rychlosti. Magnetické pole pak může tyto nabité částice přitlačit do kondenzovaného tvaru a přinutit je, aby se spojily.
40-rok hlavolam energie z jaderné syntézy je, že nikdo nebyl schopen vytvořit fúzní reaktor, který vyprodukuje více energie, než je potřebné k ovládání. Jinými slovy, je zapotřebí více energie, aby udržet plazma a získávání fúzní energie než energie z fúze, které produkuje.
Evropa pracuje reaktor tokamak jménem JET, drží světový rekord pro napájení míst; vytváří 16MW energie z jaderné syntézy, ale vyžaduje 24MW elektřiny pro provoz.
MIT vědci však věří, že mají odpověď na net moc problém a bude k dispozici v relativně malém balení ve srovnání s dnešní štěpné jaderné elektrárny. Tím, že je reaktor menší, je také levnější stavět. Oblouk by byl navíc modulární, což by umožnilo odstranit mnoho jeho částí pro opravy upgradů, což nebylo dříve dosaženo.
co odlišuje fúzní zařízení MIT od sebe
to, co MIT sám udělal, je vytvoření nejsilnějšího magnetického omezovacího pole na světě pro reaktor jeho velikosti. Čím vyšší je magnetické pole, tím větší je fúzní reakce a tím větší je produkovaná síla.
“ jsme velmi přesvědčeni, že budeme schopni ukázat, že toto médium může produkovat více energie z fúze, než je zapotřebí, aby bylo horké,“ řekl Whyte.
výřez navrhovaného obloukového reaktoru. Díky nové výkonné magnetové technologii by mnohem menší a levnější obloukový reaktor dodával stejný výkon jako mnohem větší reaktor.
Fúzní reaktory by mít několik výhod oproti dnešní štěpné jaderné reaktory. Za prvé, fúzní reaktory by produkovaly málo radioaktivního odpadu. Fúzní reaktory produkují takzvané „aktivační produkty“ s fúzními neutrony.
malé množství produkovaných radioaktivních izotopů je krátkodobé, s poločasem rozpadu trvajícím desítky let oproti tisícům let od štěpných odpadních produktů, uvedl Sorbom.
reaktory by také spotřebovaly méně energie k provozu než štěpné reaktory.
Zatímco MPO je současný Alcator C-Mod produkuje ne elektřiny, to demonstruje účinky magnetické silové pole na přehřátou plazmu, a horké mluvíme o 100 milionů stupňů Celsia. Pro srovnání, naše Slunce je chladné 27 milionů stupňů Fahrenheita.
zdaleka není nebezpečné, plazma 100 milionů stupňů se okamžitě ochladí a obnoví plynný stav, když se dotkne vnitřních stran reaktoru. Proto je zapotřebí silné magnetické zadržovací pole.
stejně jako štěpný jaderný reaktor by fúzní reaktor byl v podstatě parní stroj. Teplo z řízené fúzní reakce se používá k otáčení parní turbíny, která zase pohání elektrické generátory.
současné fúzní zařízení MIT C-Mod používá jako plazmové palivo hojné deuterium. Deuterium je izotop vodíku, který není radioaktivní a může být extrahován z mořské vody.
pro vytvoření koncepčního obloukového reaktoru je však zapotřebí druhý izotop vodíku: tritium. Je to proto, že rychlost, s jakou se izotopy deuterium-deuterium taví, je asi 200krát nižší než rychlost, s jakou se izotopy deuterium-tritium taví.
Tritium, zatímco radioaktivní, má pouze poločas asi 10 let. Ačkoli se tritium nevyskytuje přirozeně, může být vytvořeno bombardováním lithia neutrony. V důsledku toho může být snadno vyroben jako udržitelný zdroj paliva.
S fúzních reaktorů, menší je lepší.
Zatímco MIT reaktor nemusí se vešly pohodlně do Tonyho Starka hrudníku (to je film, po tom všem), to by byl nejmenší fúzní reaktor s nejsilnější magnetické izolační komoře na zemi. Vyrobil by výkon osmi Teslas nebo asi dvou strojů MRI.
Pro srovnání, v jižní Francii, sedm národů (včetně USA.) spolupracovali na vybudování největšího fúzního reaktoru na světě, mezinárodního termonukleárního experimentálního reaktoru (ITER) Tokamak. Fúzní komora ITER má poloměr fúze 6, 5 metru a její supravodivé magnety by produkovaly 11, 8 Teslas síly.
Nicméně, reaktor ITER je asi dvakrát velikost OBLOUKU a váží 3.400 tun — 16 krát stejně těžké, jako všechny dříve vyrobené fusion plavidla. Reaktor ve tvaru D bude mít velikost mezi 11 a 17 metry a bude mít poloměr tokamaku 6,2 metru, což je téměř dvojnásobek poloměru oblouku 3,3 metru.
koncept projektu ITER začal v roce 1985 a stavba začala v roce 2013. Odhadovaná cena se pohybuje mezi 14 až 20 miliardami dolarů. Whyte však věří, že ITER bude nakonec mnohem dražší, 40 až 50 miliard dolarů, na základě „skutečnosti, že příspěvek USA“ je 4 až 5 miliard dolarů, „a my jsme 9% partneři.“
kromě toho je harmonogram dokončení ITER 2020, s úplnými fúzními experimenty deuterium-tritium počínaje rokem 2027.
po dokončení se očekává, že ITER bude prvním fúzním reaktorem, který bude vyrábět čistou energii, ale tato energie nebude vyrábět elektřinu; jednoduše připraví cestu pro reaktor, který může.
obloukový reaktor MIT by měl stát 4 až 5 miliard dolarů a mohl by být dokončen za čtyři až pět let, uvedl Sorbom.
důvodem, proč by oblouk mohl být dokončen dříve a za desetinu nákladů na ITER, je jeho velikost a použití nových supravodičů s vysokým polem, které pracují při vyšších teplotách než typické supravodiče.
fúzní reaktory obvykle používají nízkoteplotní super vodiče jako magnetické cívky. Cívky se musí ochladit na přibližně 4 stupně Kelvina nebo minus 452 stupňů Fahrenheita, aby fungovaly. Fúzní zařízení tokamak MIT používá pro své magnetické cívky supravodivou pásku“ vysokoteplotní “ oxid barnatý měďnatý (REBCO), která je mnohem levnější a efektivnější. Samozřejmě, že „vysoká teplota“ je relativní: REBCO cívky pracovat na 100 stupňů Kelvina, nebo minus cca 280 stupňů Celsia, ale to je dost teplo použít bohaté kapalný dusík jako chladící činidlo.
V levé ruce, Brandon Sorbom drží vzácné-earth barium copper oxide (REBCO) supravodivé pásky použité v fúzní reaktor, magnetické cívky. V pravé ruce je typický měděný elektrický kabel. Použití nové super vodivé pásky snižuje náklady a umožňuje MIT používat jako chladicí prostředek hojný kapalný dusík.
„umožňuje technologie, aby mohli zmenšit fusion velikost zařízení je tato nová technologie supravodičů,“ Sorbom řekl. „Zatímco supravodiče byly kolem roku pozdní 1980 v laboratořích, v posledních pěti letech nebo tak společnosti byly komercializaci této věci do pásky pro rozsáhlé projekty, jako je tento.“
kromě velikosti a nákladů je páska REBCO schopna zvýšit fúzní výkon 10krát ve srovnání se standardní supravodivou technologií.
než může být oblouk MIT vybudován, musí však vědci nejprve prokázat, že mohou udržet fúzní reakci. V současné době mit C-Mod reaktor běží jen několik sekund pokaždé, když je vypálen. Ve skutečnosti, to vyžaduje tolik energie, že MIT je nutné použít vyrovnávací transformátor v pořadí ukládání dostatek elektřiny, aby jej spustit bez browning z města Cambridge. A, s plazmový poloměr jen 0.68 metr, C-Mod má je daleko menší, než i OBLOUKOVÝ reaktor, který by
Takže, před tím, než vytváří OBLOUKOVÝ reaktor, MIT to vedle fusion zařízení-Pokročilé divertoru tokamaku a RF tokamak eXperiment (ADX) – bude testovat různé prostředky, aby účinně zvládnout Slunce-jako je teploty, aniž by se snížila plazmatické výkon.
po dosažení udržitelného výkonu ARC určí, zda je možná čistá výroba energie. Poslední překážkou, než fúzní reaktory mohou dodávat energii do sítě, je přenos tepla do generátoru.
Federálové snížit financování
MIT C-Mod tokamak reaktor je jedním ze tří hlavních fusion výzkumných zařízení v USA, spolu s DIII-D v General Atomics a Národní Sférický Tokamak Experiment Upgrade (NSTX-U) v Princeton Plasma Physics Laboratory.
výzkumník pracuje uvnitř Wendelstein 7-X (W7-X) experimentální termonukleární reaktor postaven v Greifswaldu, Německo, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). Reaktor, dokončený v říjnu 2015, je dosud největší.
začátkem tohoto roku se MIT dozvěděla, že financování svého fúzního reaktoru pod Ministerstvem energetiky (DOE) se chýlí ke konci. Rozhodnutí vypnout Alcator C-Mod bylo podle Edmunda Synakowského, spolupracovníka ředitele vědy pro fúzní energetiku (FES) v DOE, poháněno rozpočtovými omezeními.
V aktuálním rozpočtu, Kongres poskytl 18 milionů dolarů pro MIT C-Mod, které bude podporovat alespoň pěti týdnů od operace, v jeho posledním roce a pokrytí nákladů spojených s odstávkou zařízení, Synakowski řekl v e-mailu odpovědět na Computerworld. (Vědci doufají, že najdou jiné zdroje financování, které nahradí ztrátu.)
Psfc má asi 50 Ph.D studenti pracující na vývoji energie z jaderné syntézy. Minulí studenti opustili MIT, aby založili vlastní společnosti nebo rozvíjeli akademické projekty mimo MIT.
ujistěte se, že vědci a studenti na MIT může přechod do spolupráce na dalších DOE-financovaný výzkum energie z jaderné syntézy zařízení v USA-především dvě základní potřeby: DIII-D v General Atomics v San Diegu, a NSTX-U v Princeton Plasma Physics Laboratory-byl „jedním z hlavních problémů,“ Synakowski řekl.
během uplynulého fiskálního roku Fes spolupracovala s MIT na vytvoření nové pětileté dohody o spolupráci, která začíná v Září. 1, 2015, aby svým vědcům umožnil přechod na spolupráci financovanou FES.
Whyte se však domnívá, že příslib fúzní energie je příliš důležitý na to, aby výzkum skončil.
„fúze je příliš důležitá na to, aby k ní měla pouze jednu cestu,“ řekl Whyte. „Moje motto je menší a dříve. Pokud můžeme technologii, která nám umožňuje přístup k menším zařízením a jejich sestavení…, pak nám to umožní dostat se na místo, kde máme na stole více možností, jak vyvinout fusion v rychlejším časovém horizontu.“
a Whyte řekl, že vědecký základ pro malé fúzní reaktory byl stanoven na MIT.
“ udělali jsme to navzdory skutečnosti, že máme nejmenší z hlavních experimentů po celém světě. Ve skutečnosti máme záznam o dosažení tlaku této plazmy. Tlak je jedna ze základních tyčí, kterou musíte překonat, “ řekl Whyte. „Jsme z toho velmi nadšení.“