In den letzten 20 Jahren experimentierte das Plasma Science and Fusion Center (PSFC) des MIT mit der Kernfusion durch das kleinste Tokamak-artige (donutförmige) Kernfusionsgerät der Welt – den Alcator C-Mod.
Das Ziel? Um den kleinsten Fusionsreaktor der Welt herzustellen – einen, der eine donutförmige Fusionsreaktion in einen Radius von 3,3 Metern zerkleinert -, könnten drei davon eine Stadt von der Größe Bostons mit Strom versorgen.
Und MIT-Forscher nähern sich ihrem Ziel, trotz einer kürzlichen Kürzung der Bundesmittel, die ihre Fortschritte verlangsamen könnte.Die Lehren, die bereits aus dem kleineren Fusionsgerät Alcator C-Mod des MIT gezogen wurden, haben es Forschern, darunter MIT-Doktorand Brandon Sorbom und PSFC-Direktor Dennis Whyte, ermöglicht, den konzeptionellen ARC-Reaktor (Affordable, robust, compact) zu entwickeln.“Wir wollten etwas produzieren, das Strom produzieren kann, aber so klein wie möglich ist“, sagte Sorbom.
Ein funktionierender Lichtbogenfusionsreaktor würde 50 Megawatt (MW) Leistung verbrauchen, um 500 MW Fusionsleistung zu erzeugen, von denen 200 MW an das Netz geliefert werden könnten. Das reicht, um 200.000 Menschen mit Strom zu versorgen.
Ein Blick in den C-Mod des MIT, der nur 0,68 Meter im Radius ist – der kleinste Fusionsreaktor mit dem stärksten Magnetfeld der Welt.
Während in den letzten 35 Jahren drei weitere Fusionsgeräte gebaut wurden, die ungefähr die gleiche Größe wie der ARC haben, produzierten sie nicht annähernd seine Leistung. Was den Reaktor des MIT auszeichnet, ist seine Supraleiter-Technologie, die es ihm ermöglichen würde, das 50-fache der tatsächlich verbrauchten Leistung zu erzeugen. (Die PSFC des MIT veröffentlichte letztes Jahr ein Papier über den Prototyp des Lichtbogenreaktors in der Fachzeitschrift ScienceDirect.)
Die starken Magnete des Lichtbogenreaktors sind modular aufgebaut, was bedeutet, dass sie leicht entfernt werden können und das zentrale Vakuumgefäß, in dem die Fusionsreaktion stattfindet, schnell ausgetauscht werden kann.
Fusionsreaktoren arbeiten durch Überhitzung Wasserstoffgas im Vakuum, die Verschmelzung von Wasserstoffatomen bilden Helium. Genau wie bei der Spaltung von Atomen in heutigen Kernspaltungsreaktoren setzt die Fusion Energie frei. Die Herausforderung bei der Fusion bestand darin, das Plasma (elektrisch geladenes Gas) zu begrenzen und es mit Mikrowellen auf Temperaturen zu erhitzen, die heißer als die Sonne sind.
Nachhaltige Energie
Das Ergebnis des erfolgreichen Baus eines Lichtbogenreaktors wäre eine reichliche Quelle sauberer und zuverlässiger Energie, da der benötigte Brennstoff – Wasserstoffisotope – auf der Erde unbegrenzt verfügbar ist.
„Was wir getan haben, ist die wissenschaftliche Grundlage zu schaffen…denn in der Tat gibt es einen gangbaren Weg in der Wissenschaft der Eindämmung dieses Plasmas, um Nettofusionsenergie zu erzeugen – schließlich „, sagte Whyte.Die Fusionsforschung steht heute an der Schwelle zur Erforschung des „brennenden Plasmas“, durch das die Wärme aus der Fusionsreaktion effizient genug im Plasma eingeschlossen wird, um die Reaktion über lange Zeiträume aufrechtzuerhalten.
Ein Blick auf das Äußere des C-Mod-Kernfusionsgeräts des MIT. Das C-Mod-Projekt hat den Weg für einen konzeptionellen Lichtbogenreaktor geebnet.
Normalerweise besteht Gas wie Wasserstoff aus neutralen Molekülen, die herumspringen. Wenn Sie jedoch ein Gas überhitzen, trennen sich die Elektronen von den Kernen und erzeugen eine Suppe geladener Teilchen, die mit hohen Geschwindigkeiten herumrasseln. Ein Magnetfeld kann dann diese geladenen Teilchen in eine kondensierte Form drücken und sie zwingen, miteinander zu verschmelzen.
Das 40-jährige Rätsel der Fusionsenergie ist, dass niemand in der Lage war, einen Fusionsreaktor zu bauen, der mehr Leistung abgibt, als für den Betrieb erforderlich ist. Mit anderen Worten, es wird mehr Leistung benötigt, um das Plasma heiß zu halten und Fusionsenergie zu erzeugen, als die von ihm erzeugte Fusionsenergie.Europas funktionierender Tokamak-Reaktor namens JET hält den Weltrekord für die Stromerzeugung; Er erzeugt 16 MW Fusionsenergie, benötigt aber 24 MW Strom, um zu funktionieren.Die Forscher des MIT glauben jedoch, dass sie die Antwort auf das Nettoleistungsproblem haben und dass es im Vergleich zu den heutigen Kernspaltungskraftwerken in einem relativ winzigen Paket verfügbar sein wird. Durch die Verkleinerung des Reaktors wird der Bau auch kostengünstiger. Darüber hinaus wäre der Lichtbogen modular, so dass seine vielen Teile für Reparaturen an Upgrades entfernt werden können, was bisher nicht erreicht wurde.
Was das Fusionsgerät des MIT auszeichnet
Was das MIT allein getan hat, ist das stärkste magnetische Rückhaltefeld der Welt für einen Reaktor seiner Größe zu schaffen. Je höher das Magnetfeld, desto größer die Fusionsreaktion und desto größer die erzeugte Leistung.“Wir sind sehr zuversichtlich, dass wir zeigen können, dass dieses Medium mehr Fusionsenergie erzeugen kann, als es braucht, um es heiß zu halten“, sagte Whyte.
Eine Schnittansicht des vorgeschlagenen Lichtbogenreaktors. Dank der leistungsstarken neuen Magnettechnologie würde der viel kleinere, kostengünstigere Lichtbogenreaktor die gleiche Leistung liefern wie ein viel größerer Reaktor.
Fusionsreaktoren hätten mehrere Vorteile gegenüber heutigen Kernspaltungsreaktoren. Zum einen würden Fusionsreaktoren wenig radioaktiven Abfall produzieren. Fusionsreaktoren erzeugen mit den Fusionsneutronen sogenannte „Aktivierungsprodukte“.Die geringe Menge an radioaktiven Isotopen, die produziert werden, sind kurzlebig, mit einer Halbwertszeit von Zehntausenden von Jahren im Vergleich zu Tausenden von Jahren von Spaltabfallprodukten, sagte Sorbom.
Die Reaktoren würden auch weniger Energie verbrauchen als Spaltreaktoren.
Während der aktuelle Alcator C-Mod des MIT keinen Strom produziert, demonstriert er die Auswirkungen eines magnetischen Eindämmungsfeldes auf überhitztes Plasma, und bei Hot sprechen wir von 100 Millionen Grad Fahrenheit. Im Vergleich dazu ist unsere Sonne eine kühle 27 Millionen Grad Fahrenheit.Weit davon entfernt, gefährlich zu sein, kühlt sich das 100-Millionen-Grad-Plasma sofort ab und nimmt einen gasförmigen Zustand wieder auf, wenn es die Innenseiten des Reaktors berührt. Deshalb wird ein starkes magnetisches Eindämmungsfeld benötigt.
Genau wie ein Kernspaltungsreaktor wäre ein Fusionsreaktor im Wesentlichen eine Dampfmaschine. Die Wärme aus der kontrollierten Fusionsreaktion wird verwendet, um eine Dampfturbine zu drehen, die wiederum elektrische Generatoren antreibt.
Das aktuelle C-Mod-Fusionsgerät des MIT verwendet reichlich Deuterium als Plasmabrennstoff. Deuterium ist ein Wasserstoffisotop, das nicht radioaktiv ist und aus Meerwasser gewonnen werden kann.
Um einen konzeptionellen Lichtbogenreaktor zu erstellen, wird jedoch ein zweites Wasserstoffisotop benötigt: Tritium. Das liegt daran, dass die Geschwindigkeit, mit der Deuterium-Deuterium-Isotope verschmelzen, etwa 200-mal geringer ist als die Geschwindigkeit, mit der Deuterium-Tritium-Isotope verschmelzen.
Tritium ist zwar radioaktiv, hat aber nur eine Halbwertszeit von etwa 10 Jahren. Obwohl Tritium nicht natürlich vorkommt, kann es durch Beschuss von Lithium mit Neutronen erzeugt werden. Infolgedessen kann es leicht als nachhaltige Kraftstoffquelle hergestellt werden.
Mit Fusionsreaktoren ist kleiner besser
Während der Reaktor des MIT vielleicht nicht bequem in Tony Starks Brust passt (das ist immerhin ein Film), wäre es der kleinste Fusionsreaktor mit der stärksten magnetischen Rückhaltekammer der Erde. Es würde die Leistung von acht Teslas oder etwa zwei MRT-Geräten erzeugen.
Zum Vergleich: In Südfrankreich sind sieben Nationen (darunter die USA).) haben gemeinsam den weltweit größten Fusionsreaktor, den Internationalen Thermonuklearen Versuchsreaktor (ITER) Tokamak, gebaut. Die ITER-Fusionskammer hat einen Fusionsradius von 6, 5 Metern und ihre supraleitenden Magnete würden 11, 8 Teslas Kraft erzeugen.
Der ITER-Reaktor ist jedoch etwa doppelt so groß wie ARC und wiegt 3.400 Tonnen – 16 mal so schwer wie jedes zuvor hergestellte Fusionsgefäß. Der D-förmige Reaktor wird zwischen 11 und 17 Meter groß sein und einen Tokamak-Plasmaradius von 6,2 Metern haben, fast doppelt so groß wie der 3,3-Meter-Radius des Bogens.
Das Konzept für das ITER-Projekt begann 1985 und der Bau begann 2013. Es hat einen geschätzten Preis zwischen $ 14 Milliarden und $ 20 Milliarden. Whyte glaubt jedoch, dass ITER am Ende erheblich teurer werden wird, 40 Milliarden bis 50 Milliarden Dollar, basierend auf „der Tatsache, dass der US-Beitrag 4 Milliarden bis 5 Milliarden Dollar beträgt“, und wir sind 9% Partner.“
Darüber hinaus ist der Zeitplan für die Fertigstellung von ITER 2020, wobei die vollständigen Deuterium-Tritium-Fusionsexperimente 2027 beginnen.
Nach seiner Fertigstellung wird ITER voraussichtlich der erste Fusionsreaktor sein, der Nettostrom erzeugt, aber dieser Strom wird keinen Strom produzieren; es wird einfach den Weg für einen Reaktor bereiten, der es kann.
Der ARC-Reaktor des MIT wird voraussichtlich 4 bis 5 Milliarden US-Dollar kosten und könnte in vier bis fünf Jahren fertiggestellt sein, sagte Sorbom.Der Grund, warum ARC früher und zu einem Zehntel der Kosten von ITER fertiggestellt werden könnte, liegt an seiner Größe und der Verwendung der neuen Hochfeldsupraleiter, die bei höheren Temperaturen als typische Supraleiter arbeiten.
Typischerweise verwenden Fusionsreaktoren Niedertemperatur-Supraleiter als Magnetspulen. Die Spulen müssen auf etwa 4 Grad Kelvin oder minus 452 Grad Fahrenheit gekühlt werden, um zu funktionieren. Das Tokamak-Fusionsgerät des MIT verwendet für seine Magnetspulen ein „Hochtemperatur“ -Supraleitband aus Seltenerd-Barium-Kupferoxid (REBCO), das weitaus kostengünstiger und effizienter ist. Natürlich ist „hohe Temperatur“ relativ: Die REBCO-Spulen arbeiten bei 100 Grad Kelvin oder etwa minus 280 Grad Fahrenheit, aber das ist warm genug, um reichlich flüssigen Stickstoff als Kühlmittel zu verwenden.
In seiner linken Hand hält Brandon Sorbom ein Seltenerd-Barium-Kupferoxid (REBCO) -Supraleitband, das in den Magnetspulen des Fusionsreaktors verwendet wird. In seiner rechten Hand befindet sich ein typisches elektrisches Kupferkabel. Die Verwendung des neuen supraleitenden Bandes senkt die Kosten und ermöglicht es MIT, reichlich flüssigen Stickstoff als Kühlmittel zu verwenden.
„Die Technologie, die es ermöglicht, die Größe der Fusionsvorrichtung zu verkleinern, ist diese neue supraleitende Technologie“, sagte Sorbom. „Während die Supraleiter seit den späten 1980er Jahren in Labors existieren, haben Unternehmen in den letzten fünf Jahren dieses Zeug zu Bändern für Großprojekte wie dieses kommerzialisiert.“
Zusätzlich zu Größe und Kosten ist REBCO Tape auch in der Lage, die Fusionsleistung im Vergleich zur Standard-Supraleitungstechnologie um das 10-fache zu erhöhen.
Bevor der ARC des MIT gebaut werden kann, müssen Forscher jedoch zunächst beweisen, dass sie eine Fusionsreaktion aufrechterhalten können. Derzeit läuft der C-Mod-Reaktor des MIT jedes Mal nur wenige Sekunden, wenn er angezündet wird. Tatsächlich benötigt es so viel Strom, dass das MIT einen Puffertransformator verwenden muss, um genügend Strom zu speichern, um es zu betreiben, ohne die Stadt Cambridge zu bräunen. Und mit einem Plasmaradius von nur 0,68 Metern ist C-Mod weit kleiner als selbst der Lichtbogenreaktor
Bevor also der Lichtbogenreaktor gebaut wird, wird das nächste Fusionsgerät des MIT – das Advanced Divertor and RF Tokamak eXperiment (ADX) – verschiedene Mittel testen, um die sonnenähnlichen Temperaturen effektiv zu handhaben, ohne die Plasmaleistung zu beeinträchtigen.
Nach Erreichen einer nachhaltigen Leistung bestimmt der ARC, ob eine Nettostromerzeugung möglich ist. Die letzte Hürde, bevor Fusionsreaktoren das Netz mit Strom versorgen können, ist die Übertragung der Wärme an einen Generator.
Feds Cut Finanzierung
MIT C-Mod Tokamak Reaktor ist eine der drei großen Fusionsforschungseinrichtungen in den USA, zusammen mit DIII-D bei General Atomics und dem National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) am Princeton Plasma Physics Laboratory.
Ein Forscher arbeitet im Inneren des experimentellen Kernfusionsreaktors Wendelstein 7-X (W7-X), der vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald gebaut wurde. Der im Oktober 2015 fertiggestellte Reaktor ist der bisher größte.
Das MIT hat Anfang dieses Jahres erfahren, dass die Finanzierung seines Fusionsreaktors durch das Energieministerium (DOE) zu Ende geht. Die Entscheidung, Alcator C-Mod herunterzufahren, wurde von Budgetbeschränkungen getrieben, so Edmund Synakowski, Associate Director of Science für Fusion Energy Sciences (FES) am DOE.
Im aktuellen Budget hat der Kongress 18 Millionen US-Dollar für den C-Mod des MIT bereitgestellt, der im letzten Jahr mindestens fünf Wochen Betrieb unterstützen und die mit der Abschaltung der Anlage verbundenen Kosten decken wird, sagte Synakowski in einer E-Mail-Antwort an Computerworld. (Die Forscher hoffen, andere Finanzierungsquellen zu finden, um den Verlust auszugleichen.)
Die PSFC hat etwa 50 Ph.D Studenten arbeiten an der Entwicklung der Fusionsenergie. Frühere Studenten haben das MIT verlassen, um ein eigenes Unternehmen zu gründen oder akademische Projekte außerhalb des MIT zu entwickeln.Sicherzustellen, dass Wissenschaftler und Studenten am MIT in andere vom DOE finanzierte Fusionsenergieforschungseinrichtungen in den USA übergehen können – insbesondere in die beiden primären Einrichtungen: DIII-D bei General Atomics in San Diego und NSTX-U am Princeton Plasma Physics Laboratory – war „eines der Hauptanliegen“, sagte Synakowski.
Im vergangenen Geschäftsjahr arbeitete FES mit dem MIT zusammen, um eine neue fünfjährige Kooperationsvereinbarung abzuschließen, die am Sept. 1, 2015, um seinen Wissenschaftlern den Übergang zu FES-geförderten Kooperationen zu ermöglichen.Whyte glaubt jedoch, dass das Versprechen der Fusionsenergie zu wichtig ist, um die Forschung zu beenden.“Fusion ist zu wichtig, um nur einen Weg dorthin zu haben“, sagte Whyte. „Mein Motto ist kleiner und früher. Wenn wir können, die Technologie, die es uns ermöglicht, auf kleinere Geräte zuzugreifen und eine Vielzahl davon zu bauen…, dann erlaubt uns das, zu einem Punkt zu kommen, wo wir mehr Optionen auf dem Tisch haben, um Fusion auf einer schnelleren Zeitskala zu entwickeln.“
Und, sagte Whyte, die wissenschaftliche Grundlage für kleine Fusionsreaktoren wurde am MIT geschaffen.
„Wir haben das getan, obwohl wir das kleinste der großen Experimente auf der ganzen Welt haben. Wir haben tatsächlich den Rekord für den Druck dieses Plasmas. Druck ist einer der grundlegenden Balken, über die man hinwegkommen muss „, sagte Whyte. „Wir freuen uns sehr darüber.“