viimeiset 20 vuotta mit: n Plasma Science and Fusion Center (PSFC) on kokeillut ydinfuusiota maailman pienimmällä tokamak-tyyppisellä (donitsin muotoinen) ydinfuusiolaitteella-Alcator C-Mod.
tavoite? Tuottaa maailman pienimmän fuusioreaktorin, joka murskaa donitsin muotoisen fuusioreaktion 3,3 metrin säteelle, joista kolmella voisi saada virtaa Bostonin kokoiseen kaupunkiin.
ja MIT: n tutkijat ovat pääsemässä lähelle tavoitettaan, vaikka liittovaltion rahoitusta on hiljattain leikattu, mikä voi hidastaa heidän etenemistään.
mit: n Pienemmästä Alcator C-Mod-fuusiolaitteesta jo opitut opit ovat antaneet tutkijoille, kuten MIT: n Tohtorikoulutettava Brandon Sorbom ja PSFC: n johtaja Dennis Whyte, mahdollisuuden kehittää käsitteellistä kaarta (edullinen, kestävä, kompakti) reaktori.
”halusimme tuottaa jotain, joka voisi tuottaa voimaa, mutta olla mahdollisimman pieni”, Sorbom sanoi.
toimiva KAARIFUUSIOREAKTORI käyttäisi 50 megawatin (MW) tehon tuottamaan 500mW fuusiotehoa, josta 200mW voitaisiin toimittaa verkkoon. Se riittää 200 000 ihmiselle sähköllä.
kurkistus MIT: n C-Modin sisälle, jonka säde on vain 0,68 metriä-pienin fuusioreaktori, jolla on maailman vahvin magneettikenttä.
vaikka kolme muuta suunnilleen kaaren kokoista fuusiolaitetta on rakennettu viimeisen 35 vuoden aikana, ne eivät tuottaneet lähellekään sen tehoa. Mit: n reaktorin erottaa sen suprajohtavasta teknologiasta, – jonka avulla se voisi luoda 50-kertaisen tehon. (MIT: n PSFC julkaisi viime vuonna tutkielman kaarireaktorin prototyypistä vertaisarvioidussa ScienceDirect-lehdessä.)
kaarireaktorin voimakkaat magneetit ovat modulaarisia, eli ne voidaan helposti poistaa ja keskeinen tyhjiöastia, jossa fuusioreaktio tapahtuu, voidaan vaihtaa nopeasti; sen lisäksi, että sallitaan päivitykset, irrotettava astia tarkoittaa, että yhtä laitetta voidaan käyttää monien tyhjiöastioiden testaamiseen.
Fuusioreaktorit toimivat kuumentamalla vetykaasua tyhjiössä, vetyatomien fuusioituessa muodostuu heliumia. Aivan kuten atomien halkeamisessa nykyisissä fissioreaktoreissa, fuusiossa vapautuu energiaa. Fuusion haasteena on ollut rajoittaa plasmaa (sähköisesti varautunutta kaasua) lämmittäen sitä mikroaalloilla aurinkoa kuumempiin lämpötiloihin.
kestävä energia
kaarireaktorin onnistuneen rakentamisen tulos olisi runsas puhtaan ja luotettavan tehon lähde, koska tarvittavaa polttoainetta-vedyn isotooppeja-on maapallolla rajattomasti saatavilla.
”se, mitä olemme tehneet, on tieteellisen perustan luominen…sillä, itse asiassa, osoittaa, että on olemassa elinkelpoinen polku eteenpäin tieteessä tämän plasman eristäminen tuottaa net fuusioenergiaa — lopulta, ” Whyte sanoi.
Fuusiotutkimus on nykyään ”palavan plasman” tutkimisen kynnyksellä, jonka kautta fuusioreaktion lämpö rajoittuu plasman sisään riittävän tehokkaasti, jotta reaktio kestää pitkiä aikoja.
silmäys mit: n C-Mod-ydinfuusiolaitteen ulkokuoreen. C-Mod-hanke on viitoittanut tietä käsitteelliselle KAARIREAKTORILLE.
normaalisti kaasu kuten vety koostuu ympärillä pomppivista neutraaleista molekyyleistä. Kun kaasua kuumentaa, elektronit kuitenkin erkanevat ytimistä muodostaen varattujen hiukkasten muodostaman sopan, joka kolistelee ympäriinsä suurilla nopeuksilla. Magneettikenttä voi sitten painaa varatut hiukkaset tiivistyneeseen muotoon pakottaen ne fuusioitumaan.
fuusiovoiman 40-vuotinen ongelma on se, että kukaan ei ole pystynyt luomaan fuusioreaktoria, joka tuottaa enemmän tehoa kuin sen käyttö vaatii. Toisin sanoen plasman kuumana pitämiseen ja fuusiovoiman tuottamiseen tarvitaan enemmän tehoa kuin sen tuottama fuusiovoima.
Euroopassa toimiva tokamak-reaktori nimeltä JET pitää hallussaan maailman sähköntuotannon ennätystä; se tuottaa 16mw fuusiovoimaa, mutta vaatii toimiakseen 24mw sähköä.
MIT: n tutkijat uskovat kuitenkin, että heillä on ratkaisu nettovoimaongelmaan ja se on saatavilla suhteellisen pienessä paketissa verrattuna nykyisiin ydinfissiovoimaloihin. Tekemällä reaktorista pienemmän se tekee myös sen rakentamisen halvemmaksi. Lisäksi kaari olisi modulaarinen, jolloin sen monet osat voitaisiin poistaa korjauksia päivityksiä, mitä ei ole aiemmin saavutettu.
Mikä erottaa mit: n fuusiolaitteen
se, mitä MIT yksin on tehnyt, on luonut maailman vahvimman magneettisen Suojakentän sen kokoiselle reaktorille. Mitä suurempi magneettikenttä on, sitä suurempi on fuusioreaktio ja sitä suurempi on tuotettu teho.
”olemme erittäin luottavaisia, että pystymme osoittamaan tämän väliaineen pystyvän tuottamaan enemmän fuusiovoimaa kuin sen kuumana pitäminen vaatii”, Whyte sanoi.
a cutaway view of the proposed ARC reactor. Tehokkaan uuden magneettiteknologian ansiosta paljon pienempi ja edullisempi KAARIREAKTORI tuottaisi saman tehon kuin paljon suurempi reaktori.
Fuusioreaktoreilla olisi useita etuja verrattuna nykyisiin fissioydinreaktoreihin. Ensinnäkin fuusioreaktorit tuottaisivat vain vähän radioaktiivista jätettä. Fuusioreaktorit tuottavat fuusioneutroneilla niin sanottuja” aktivointituotteita”.
tuotettujen radioaktiivisten isotooppien pieni määrä on lyhytikäinen, puoliintumisaika kymmeniä vuosia verrattuna tuhansiin vuosiin fissiojätteistä, Sorbom sanoi.
reaktorit käyttäisivät myös vähemmän energiaa toimiakseen kuin fissioreaktorit.
vaikka MIT: n nykyinen Alcator C-Mod ei tuota sähköä, se havainnollistaa magneettisen Suojakentän vaikutuksia superkuumennettuun plasmaan, ja kuumalla puhutaan 100 miljoonasta Fahrenheit-asteesta. Vertailun vuoksi Aurinkomme on kolea 27 miljoonaa Fahrenheit-astetta.
100 miljoonan asteen plasma ei suinkaan ole vaarallinen, vaan se jäähtyy välittömästi ja palaa kaasumaiseksi koskettaessaan reaktorin sisäsivuja. Siksi tarvitaan voimakas magneettinen suojakenttä.
aivan kuten fissioydinreaktori, fuusioreaktori olisi käytännössä höyrykone. Hallitun fuusioreaktion lämpöä käytetään höyryturbiinin kääntämiseen, joka puolestaan pyörittää sähkögeneraattoreita.
MIT: n nykyinen C-Mod-fuusiolaite käyttää runsaasti deuteriumia plasmapolttoaineenaan. Deuterium on vedyn isotooppi, joka ei ole radioaktiivinen ja jota voidaan erottaa merivedestä.
käsitteellisen kaarireaktorin luomiseen tarvitaan kuitenkin toinen vetyisotooppi: tritium. Tämä johtuu siitä, että deuterium-deuterium-isotooppien sulamisnopeus on noin 200 kertaa pienempi kuin deuterium-tritium-isotooppien sulamisnopeus.
tritium on radioaktiivista, mutta sen puoliintumisaika on vain noin 10 vuotta. Vaikka tritiumia ei esiinny luonnostaan, sitä voidaan luoda pommittamalla litiumia neutroneilla. Näin ollen se voidaan helposti tuottaa kestäväksi polttoaineeksi.
fuusioreaktoreilla pienempi on parempi
vaikka mit: n reaktori ei ehkä sopisikaan sopivasti Tony Starkin arkkuun (se on sittenkin elokuva), se olisi pienin fuusioreaktori, jossa on maailman tehokkain magneettinen suojakammio. Se tuottaisi kahdeksan Teslan eli noin kahden MAGNEETTIKUVAUSKONEEN tehon.
vertailun vuoksi Etelä-Ranskassa seitsemän valtiota (mm.) ovat yhteistyössä rakentaneet maailman suurimman fuusioreaktorin, International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) Tokamakin. ITERin fuusiokammion fuusiosäde on 6,5 metriä ja sen suprajohtavat magneetit tuottaisivat 11,8 Teslan voiman.
ITER-reaktori on kuitenkin noin kaksi kertaa kaaren kokoinen ja painaa 3 400 tonnia — 16 kertaa niin paljon kuin mikään aiemmin valmistettu fuusioalus. D: n muotoinen reaktori on kooltaan 11-17 metriä ja sen tokamakin plasmasäde on 6,2 metriä, lähes kaksinkertainen kaaren 3,3 metrin säteeseen verrattuna.
ITER-hankkeen konsepti alkoi vuonna 1985 ja rakentaminen alkoi vuonna 2013. Sen hintalappu on arviolta 14-20 miljardia dollaria. Whyte kuitenkin uskoo, että ITER tulee lopulta olemaan huomattavasti kalliimpi, 40-50 miljardia dollaria, perustuen ”siihen, että Yhdysvaltain osuus” on 4-5 miljardia dollaria”, ja olemme 9% kumppaneita.”
lisäksi ITERin valmistumisaikataulu on 2020, ja täydet deuterium-tritium-fuusiokokeet alkavat vuonna 2027.
valmistuessaan ITERistä odotetaan ensimmäistä nettotehoa tuottavaa fuusioreaktoria, mutta se teho ei tuota sähköä, vaan se vain valmistaa tietä reaktorille, joka pystyy.
MIT: n kaarireaktorin arvioidaan maksavan 4-5 miljardia dollaria ja se voitaisiin saada valmiiksi neljästä viiteen vuodessa, Sorbom sanoi.
syykaari voitaisiin saada valmiiksi nopeammin ja kymmenesosalla ITERin kustannuksista johtuu sen koosta ja uusien korkean kentän suprajohteiden käytöstä, jotka toimivat tavallista suprajohteita korkeammissa lämpötiloissa.
tyypillisesti fuusioreaktoreissa käytetään matalan lämpötilan superjohtimia magneettisina keloina. Kelojen täytyy jäähtyä noin 4 Kelvinasteeseen eli -452 asteeseen toimiakseen. MIT: n tokamak-fuusiolaite käyttää magneettisiin keloihinsa ”korkean lämpötilan” harvinaisten maametallien bariumkuparioksidia (REBCO) suprajohtavaa nauhaa, joka on paljon halvempaa ja tehokkaampaa. ”Korkea lämpötila” on tietysti suhteellista: REBCO-kelat toimivat 100 Kelvin-asteessa eli noin -280 Fahrenheit-asteessa, mutta se on riittävän lämmintä, jotta jäähdytysaineena voidaan käyttää runsaasti nestemäistä typpeä.
Brandon Sorbom pitelee vasemmassa kädessään harvinaisten maametallien bariumkuparioksidia (REBCO) suprajohtavaa teippiä, jota käytetään fuusioreaktorin magneettisissa keloissa. Hänen oikeassa kädessään on tyypillinen Kuparinen sähkökaapeli. Uuden superjohtavan nauhan käyttö alentaa kustannuksia ja antaa MIT: lle mahdollisuuden käyttää runsaasti nestemäistä typpeä jäähdytysaineena.
”mahdollistava teknologia fuusiolaitteen koon pienentämiseksi on tämä uusi suprajohtava teknologia”, Sorbom sanoi. ”Vaikka suprajohteita on ollut 1980-luvun lopulta lähtien laboratorioissa, viimeisen viiden vuoden aikana yritykset ovat kaupallistaneet tätä materiaalia nauhoiksi tämänkaltaisiin suuriin projekteihin.”
koon ja kustannusten lisäksi REBCO tape pystyy myös kasvattamaan fuusiotehoa 10-kertaiseksi tavalliseen suprajohtavaan teknologiaan verrattuna.
ennen kuin MIT: n kaari voidaan rakentaa, tutkijoiden on kuitenkin ensin todistettava pystyvänsä ylläpitämään fuusioreaktiota. Tällä hetkellä MIT: n C-Mod-reaktori toimii vain muutaman sekunnin aina kun se käynnistetään. Itse asiassa se vaatii niin paljon virtaa, että MIT: n on käytettävä puskurimuuntajaa, jotta se varastoi tarpeeksi sähköä pyörittämään sitä ilman, että Cambridgen kaupunki tuhoutuu. Ja, plasman säde on vain 0,68 metriä, C-Mod on on paljon pienempi kuin edes KAARIREAKTORI olisi
joten ennen kuin se rakentaa KAARIREAKTORI, MIT: n seuraava fuusiolaite-Advanced Divertor ja RF tokamak eXperiment (ADX) – testaa erilaisia keinoja tehokkaasti käsitellä Auringon kaltaisia lämpötiloja heikentämättä plasman suorituskykyä.
kestävän suorituskyvyn saavuttamisen jälkeen ARC määrittää, onko nettosähköntuotanto mahdollista. Viimeinen este, ennen kuin fuusioreaktorit voivat tuottaa sähköä verkkoon, on lämmön siirtäminen generaattoriin.
FBI leikkasi rahoitusta
MIT: n C-Mod tokamak-reaktori on yksi Yhdysvaltain kolmesta suuresta fuusiotutkimuslaitoksesta General Atomicsin DIII-D: n ja Princetonin plasmafysiikan laboratorion National Spherical Torus Experiment Upgrade (Nstx-U): n ohella.
tutkija työskentelee Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP)-laitoksen Greifswaldiin, Saksaan rakentaman kokeellisen ydinfuusioreaktorin Wendelstein 7-X (W7-X) sisällä. Lokakuussa 2015 valmistunut reaktori on tähän mennessä suurin.
heittäen kapuloita rattaisiin mit sai aiemmin tänä vuonna tietää, että sen energiaministeriön (Doe) fuusioreaktorin rahoitus on päättymässä. Päätös Alcator C-Modin sulkemisesta johtui budjettirajoituksista, arvioi DOE: n Fuusioenergiatieteiden (Fes) apulaisjohtaja Edmund Synakowski.
nykyisessä budjetissa kongressi on antanut 18 miljoonaa dollaria MIT: n C-Modille, joka tukee vähintään viiden viikon operaatioita sen viimeisenä vuonna ja kattaa laitoksen sulkemiseen liittyvät kustannukset, Synakowski sanoi Computerworldille lähettämässään sähköpostivastauksessa. (Tutkijat toivovat löytävänsä muita rahoituslähteitä tappion korvaamiseksi.)
PSFC: n pH on noin 50.D fuusioenergian kehittämiseen tähtäävät opiskelijat. Entiset opiskelijat ovat lähteneet MIT: stä perustaakseen omia yrityksiä tai ryhtyäkseen kehittämään akateemisia projekteja mit: n ulkopuolella.
sen varmistaminen, että tutkijat ja opiskelijat MIT: ssä voivat siirtyä yhteistyöhön muissa DOE: n rahoittamissa fuusioenergian tutkimuslaitoksissa Yhdysvalloissa — erityisesti kahdessa ensisijaisessa laitoksessa: DIII-D: ssä General Atomicsissa San Diegossa ja Nstx-U: ssa Princetonin plasmafysiikan laboratoriossa — on ollut ”yksi suurimmista huolenaiheista”, Synakowski sanoi.
kuluneen tilikauden aikana FES työskenteli MIT: n kanssa uuden viisivuotisen yhteistyösopimuksen luomiseksi, joka alkoi syyskuun alusta. 1, 2015, jotta sen tutkijat voivat siirtyä FES-rahoitteiseen yhteistyöhön.
Whyten mielestä lupaus fuusioenergiasta on kuitenkin liian tärkeä, jotta tutkimus voisi hiipua.
”fuusio on liian tärkeä, jotta siihen olisi vain yksi reitti”, Whyte sanoi. ”Mottoni on pienempi ja nopeampi. Jos pystymme teknologia, jonka avulla voimme käyttää pienempiä laitteita ja rakentaa erilaisia… näin pääsemme paikkaan, jossa meillä on enemmän vaihtoehtoja kehittää fuusiota nopeammalla aikataululla.”
ja Whyten mukaan pienten fuusioreaktorien tieteellinen perusta on luotu MIT: ssä.
”teimme sen siitä huolimatta, että meillä on pienimmät suuret kokeet ympäri maailmaa. Meillä on itse asiassa ennätys tämän plasman paineen saavuttamisessa. Paine on yksi peruspalkeista, joista pitää päästä yli”, Whyte sanoi. ”Olemme erittäin innoissamme tästä.”