i de sidste 20 år har MIT ‘ s Plasma Science and Fusion Center (PSFC) eksperimenteret med nuklear fusion gennem verdens mindste tokamak-type (donutformet) nuklear fusion enhed-Alcator C-Mod.
målet? At producere verdens mindste fusionsreaktor – en der knuser en donutformet fusionsreaktion i en radius på 3,3 meter-hvoraf tre kunne drive en by på størrelse med Boston.
og MIT forskere kommer tæt på deres mål, på trods af en nylig nedskæring i føderal finansiering, der kan bremse deres fremskridt.de erfaringer, der allerede er lært af MIT ‘ s mindre Alcator C-Mod fusion-enhed, har gjort det muligt for forskere, herunder MIT ph.d. – kandidat Brandon Sorbom og Psfc-direktør Dennis, at udvikle den konceptuelle Arc (overkommelig, robust, kompakt) reaktor.”vi ønskede at producere noget, der kunne producere strøm, men være så lille som muligt,” sagde Sorbom.
en fungerende LYSBUEFUSIONSREAKTOR ville bruge 50 megavatts (MVV) strøm til at producere 500mV fusionskraft, hvoraf 200mV kunne leveres til nettet. Det er nok til at forsyne 200.000 mennesker med elektricitet.
et kig inde i MIT ‘ S C-Mod, som kun er 0,68 meter i radius-den mindste fusionsreaktor med det stærkeste magnetfelt i verden.
mens tre andre fusionsenheder omtrent samme størrelse som buen er blevet bygget i løbet af de sidste 35 år, producerede de ikke nogen steder i nærheden af dens magt. Det, der adskiller MIT ‘ s reaktor, er dens superlederteknologi, som gør det muligt for den at skabe 50 gange den kraft, den faktisk trækker. (MIT ‘ s PSFC offentliggjorde sidste år et papir om prototypen ARC reactor i det fagfællebedømte tidsskrift ScienceDirect.)
BUEREAKTORENS kraftige magneter er modulære, hvilket betyder, at de let kan fjernes, og den centrale vakuumbeholder, hvor fusionsreaktionen opstår, kan hurtigt udskiftes; udover at tillade opgraderinger betyder en aftagelig beholder, at en enkelt enhed kan bruges til at teste mange vakuumbeholderdesign.
fusionsreaktorer arbejder ved superopvarmning af brintgas i et vakuum, sammensmeltningen af brintatomer danner helium. Ligesom med opdeling af atomer i nutidens fissionsnukleare reaktorer frigiver fusion Energi. Udfordringen med fusion har begrænset plasmaet (elektrisk ladet gas), mens det opvarmes med mikrobølger til temperaturer, der er varmere end Solen.
bæredygtig energi
resultatet af en vellykket opbygning af en BUEREAKTOR ville være en rigelig kilde til ren og pålidelig kraft, fordi det nødvendige brændstof-hydrogenisotoper-er i ubegrænset forsyning på jorden.
” hvad vi har gjort er at etablere det videnskabelige grundlag…for faktisk viser, at der er en levedygtig vej fremad i videnskaben om indeslutning af dette plasma for at gøre Netto fusionsenergi-til sidst,” sagde han.fusionsforskning i dag er på tærsklen for at udforske “brændende plasma”, hvorigennem varmen fra fusionsreaktionen er begrænset i plasmaet effektivt nok til, at reaktionen kan opretholdes i lange perioder.
et kig på ydersiden af MIT ‘ s c-Mod nuclear fusion device. C-Mod-projektet har banet vejen for en konceptuel BUEREAKTOR.
normalt består gas som hydrogen af neutrale molekyler, der hopper rundt. Når du overvarmer en gas, adskiller elektronerne sig imidlertid fra kernerne og skaber en suppe af ladede partikler, der rasler rundt i høje hastigheder. Et magnetfelt kan derefter trykke de ladede partikler i en kondenseret form og tvinge dem til at smelte sammen.
det 40-årige Gåde med fusionskraft er, at ingen har været i stand til at skabe en fusionsreaktor, der udsender mere strøm, end der kræves for at betjene den. Med andre ord kræves der mere strøm for at holde plasmaet varmt og generere fusionskraft end den fusionskraft, det producerer.
Europas fungerende tokamak-reaktor ved navn JET har verdensrekorden for kraftproduktion; den genererer 16 mio.fusionskraft, men kræver 24 mio. elektricitet for at fungere.
MIT ‘ s forskere mener imidlertid, at de har svaret på netkraftproblemet, og det vil være tilgængeligt i en relativt lille pakke sammenlignet med nutidens atomkraftværker. Ved at gøre reaktoren mindre gør den det også billigere at bygge. Derudover ville buen være modulopbygget, så dens mange dele kan fjernes til reparationer af opgraderinger, noget der ikke tidligere er opnået.
hvad sætter MIT ‘ s fusion enhed fra hinanden
hvad MIT alene har gjort er at skabe verdens stærkeste magnetiske indeslutningsfelt for en reaktor dens størrelse. Jo højere magnetfeltet er, desto større er fusionsreaktionen, og jo større er den producerede effekt.
“Vi er meget sikre på, at vi vil kunne vise, at dette medium kan gøre mere fusionskraft, end det tager for at holde det varmt,” sagde han.
et udskåret billede af den foreslåede BUEREAKTOR. Takket være kraftig ny magnetteknologi ville den meget mindre, billigere BUEREAKTOR levere den samme effekt som en meget større reaktor.
fusionsreaktorer ville have flere fordele i forhold til dagens fission atomreaktorer. For det første ville fusionsreaktorer producere lidt radioaktivt affald. Fusionsreaktorer producerer det, der kaldes “aktiveringsprodukter” med fusionsneutronerne.
den lille mængde radioaktive isotoper, der produceres, er kortvarig, med en halveringstid, der varer titusinder af år mod tusinder af år fra fissionsaffaldsprodukter, sagde Sorbom.
reaktorerne ville også bruge mindre energi til at fungere end fissionsreaktorer.
mens MITS nuværende Alcator C-Mod ikke producerer elektricitet, demonstrerer det virkningerne af et magnetisk indeslutningsfelt på superopvarmet plasma, og ved varmt taler vi om 100 millioner grader Fahrenheit. Til sammenligning er vores sol en kølig 27 millioner grader Fahrenheit.
langt fra at være farligt køler 100 millioner graders plasma øjeblikkeligt og genoptager en gasformig tilstand, når den berører reaktorens indre sider. Derfor er der brug for et kraftigt magnetisk indeslutningsfelt.
ligesom en fission atomreaktor ville en fusionsreaktor i det væsentlige være en dampmaskine. Varmen fra den kontrollerede fusionsreaktion bruges til at dreje en dampturbine, der igen driver elektriske generatorer.
MIT ‘ s nuværende C-Mod fusion-enhed bruger rigeligt deuterium som plasmabrændstof. Deuterium er en hydrogenisotop, der ikke er radioaktiv og kan ekstraheres fra havvand.
for at skabe en konceptuel BUEREAKTOR er der imidlertid brug for en anden hydrogenisotop: tritium. Det skyldes, at den hastighed, hvormed deuterium-deuterium isotoper smelter sammen, er omkring 200 gange mindre end den hastighed, hvormed deuterium-tritiumisotoper smelter sammen.
Tritium, mens radioaktivt, har kun en halveringstid på omkring 10 år. Selvom tritium ikke forekommer naturligt, kan det skabes ved at bombardere lithium med neutroner. Som et resultat kan det let produceres som en bæredygtig kilde til brændstof.
med fusionsreaktorer er mindre bedre
mens MIT ‘ s reaktor måske ikke passer bekvemt ind i Tony Starks bryst (det er jo en film), ville det være den mindste fusionsreaktor med det mest kraftfulde magnetiske indeslutningskammer på jorden. Det ville producere kraften fra otte Teslas eller omkring to MR-maskiner.
til sammenligning, i det sydlige Frankrig, syv nationer (herunder USA.) har samarbejdet om at bygge verdens største fusionsreaktor, den internationale termonukleære eksperimentelle reaktor (ITER) Tokamak. ITER-fusionskammeret har en fusionsradius på 6,5 meter, og dets superledende magneter ville producere 11,8 Teslas af kraft.
imidlertid er ITER-reaktoren cirka dobbelt så stor som ARC og vejer 3.400 tons-16 gange så tung som ethvert tidligere fremstillet fusionsbeholder. Den D-formede reaktor vil være mellem 11 meter og 17 meter i størrelse og have en tokamak plasmaradius på 6, 2 meter, næsten dobbelt så stor som buens 3, 3 meter radius.
konceptet for ITER-projektet begyndte i 1985, og byggeriet begyndte i 2013. Det har en anslået pris på mellem $14 milliarder og $20 milliarder. Hvorfor mener imidlertid, at ITER vil ende med at blive meget dyrere, $40 milliarder til $50 milliarder, baseret på “det faktum, at det amerikanske bidrag” er $4 milliarder til $5 milliarder”, og vi er 9% partnere.”
derudover er ITERS tidsplan for færdiggørelse 2020 med fulde deuterium-tritiumfusionseksperimenter, der starter i 2027.
når det er afsluttet, forventes ITER at være den første fusionsreaktor, der genererer nettokraft, men denne kraft producerer ikke elektricitet; det vil simpelthen forberede vejen for en reaktor, der kan.
MIT ‘ s ARC reactor forventes at koste $4 milliarder til $5 milliarder dollars og kunne afsluttes om fire til fem år, sagde Sorbom.
årsagen til, at ARC kunne afsluttes hurtigere, og med en tiendedel er prisen på ITER på grund af dens størrelse og brugen af de nye high-field superledere, der fungerer ved højere temperaturer end typiske superledere.
fusionsreaktorer bruger typisk lavtemperatur superledere som magnetiske spoler. Spolerne skal afkøles til omkring 4 grader Kelvin, eller minus 452 grader Fahrenheit, at fungere. MIT ‘s tokamak fusion enhed bruger et “højtemperatur” sjældent jordbarium kobberoksid (REBCO) superledende tape til sine magnetiske spoler, hvilket er langt billigere og effektivt. Selvfølgelig er” høj temperatur ” relativ: REBCO-spolerne fungerer ved 100 grader Kelvin eller omkring minus 280 grader Fahrenheit, men det er varmt nok til at bruge rigeligt flydende nitrogen som kølemiddel.
i sin venstre hånd har Brandon Sorbom et superledende bånd, der anvendes i fusionsreaktorens magnetiske spoler. I hans højre hånd er et typisk kobber elektrisk kabel. Brugen af det nye superledende bånd sænker omkostningerne og gør det muligt for MIT at bruge rigeligt flydende nitrogen som kølemiddel.
“den aktiverende teknologi til at kunne krympe fusionsenhedens størrelse er denne nye superledende teknologi,” sagde Sorbom. “Mens superlederne har eksisteret siden slutningen af 1980′ erne i laboratorier, har virksomheder i de sidste fem år kommercialiseret disse ting til bånd til store projekter som dette.”
ud over størrelse og pris er REBCO tape også i stand til at øge fusionskraften 10 gange sammenlignet med standard superledende teknologi.
før MITS bue kan bygges, skal forskere dog først bevise, at de kan opretholde en fusionsreaktion. I øjeblikket kører MIT ‘ S C-Mod reaktor kun et par sekunder hver gang den fyres op. Faktisk, det kræver så meget strøm, at MIT skal bruge en buffertransformator for at opbevare nok elektricitet til at køre den uden at brænde byen Cambridge ud. Og med en plasmaradius på kun 0,68 meter er C-Mod langt mindre end selv ARC-reaktoren ville
så før den bygger ARC-reaktoren, vil MIT ‘ s næste fusionsenhed-Advanced Divertor og RF tokamak-eksperimentet-teste forskellige midler til effektivt at håndtere de sollignende temperaturer uden at forringe plasmaets ydeevne.
efter at have opnået bæredygtig ydeevne, vil ARC afgøre, om nettoproduktion er mulig. Den sidste forhindring, før fusionsreaktorer kan levere strøm til nettet, overfører varmen til en generator.
Feds cut funding
MIT ‘ s c-mod tokamak reactor er en af de tre store fusionsforskningsfaciliteter i USA sammen med DIII-D på General Atomics og National sfærisk Torus eksperiment opgradering på Princeton Plasma Physics Laboratory.
en forsker arbejder inde i Vendelstein 7-H (v7-H) en eksperimentel nuklear fusionsreaktor bygget i Greifvald, Tyskland, af maks-Planck-Institut f kr plasmafysik (IPP). Reaktoren, der blev afsluttet i oktober 2015, er den største til dato.
kaster en skruenøgle i sin indsats, lærte MIT tidligere i år, at finansieringen til sin fusionsreaktor under Department of Energy (DOE) kommer til en ende. Beslutningen om at lukke Alcator C-Mod blev drevet af budgetbegrænsninger, ifølge Edmund Synakovsky, associate director of science for Fusion Energy Sciences (FES) ved DOE.i det nuværende budget har Kongressen ydet $18 millioner til MIT ‘ s C-Mod, som vil støtte mindst fem ugers drift i det sidste år og dække omkostningerne i forbindelse med nedlukning af anlægget, sagde Synakovsky i et e-mail-svar til computerverden. (Forskere håber at finde andre finansieringskilder for at kompensere for tabet.)
Psfc har omkring 50 Ph.D studerende, der arbejder for at udvikle fusionsenergi. Tidligere studerende har forladt MIT for at starte deres egne virksomheder eller tage udvikle akademiske projekter uden for MIT.at sikre, at forskere og studerende ved MIT kan overgå til samarbejde på andre Doe-finansierede fusionsenergiforskningsfaciliteter i USA-især de to primære faciliteter: DIII-d ved General Atomics i San Diego og NST-U ved Princeton Plasma Physics Laboratory-har været “en af de største bekymringer,” sagde Synakovsky.
i løbet af det sidste regnskabsår arbejdede FES med MIT for at etablere en ny femårig samarbejdsaftale, der begyndte den Sept. 1, 2015, for at gøre det muligt for sine forskere at overgå til FES-finansierede samarbejder.
hvorfor mener dog, at løftet om fusionsenergi er for vigtigt for forskning at afvikle.”Fusion er for vigtigt til kun at have en vej til det,” sagde han. “Mit motto er mindre og hurtigere. Hvis vi kan den teknologi, der giver os adgang til mindre enheder og bygger en række af dem…, så giver dette os mulighed for at komme til et sted, hvor vi har flere muligheder på bordet for at udvikle fusion på en hurtigere tidsplan.”
og hvorfor sagde det videnskabelige grundlag for små fusionsreaktorer er blevet etableret på MIT.
“det gjorde vi trods det faktum, at vi har den mindste af de store eksperimenter rundt om i verden. Vi har faktisk rekorden for at opnå tryk på dette plasma. Pres er en af de grundlæggende søjler, du er nødt til at komme over,” sagde Hvorfor. “Vi er meget begejstrede for dette.”