az elmúlt 20 évben az MIT Plazma tudományos és fúziós központja (PSFC) a világ legkisebb tokamak típusú (fánk alakú) magfúziós eszközén-az Alcator C-Mod-on-kísérletezett a nukleáris fúzióval.
a cél? Hogy előállítsák a világ legkisebb fúziós reaktorát-olyat, amely egy fánk alakú fúziós reakciót 3,3 méter sugarú körre tör össze -, ebből három egy Boston méretű várost képes ellátni energiával.
és az MIT kutatói egyre közelebb kerülnek céljukhoz, annak ellenére, hogy a szövetségi finanszírozás nemrégiben csökkent, ami lelassíthatja fejlődésüket.
Az mit kisebb Alcator C-Mod fúziós eszközéből már levont tanulságok lehetővé tették a kutatók, köztük az MIT Ph.D jelöltje, Brandon Sorbom és a PSFC igazgatója, Dennis Whyte számára a koncepcionális ARC (megfizethető, robusztus, kompakt) reaktor kifejlesztését.”olyasmit akartunk előállítani, ami képes energiát termelni, de a lehető legkisebb legyen” – mondta Sorbom.
egy működő ÍVFÚZIÓS reaktor 50 megawatt (MW) energiát használna fel 500 MW fúziós teljesítmény előállításához, amelyből 200 MW-ot el lehetne juttatni a hálózatba. Ez elég ahhoz, hogy 200 000 embert biztosítson villamos energiával.
egy pillantás az MIT C-Mod-jába, amely mindössze 0,68 méter sugarú-a legkisebb fúziós reaktor a legerősebb mágneses mezővel a világon.
míg három másik, nagyjából az ARC méretével megegyező méretű fúziós eszközt építettek az elmúlt 35 évben, ezek a teljesítmény közelébe sem jutottak. Ami megkülönbözteti az MIT reaktorát, az a szupravezető technológiája, amely lehetővé tenné, hogy 50-szer annyi energiát hozzon létre, mint amennyit ténylegesen lehív. (Az MIT PSFC tavaly publikált egy cikket az ARC reactor prototípusáról a ScienceDirect szakértői folyóiratban.)
az ÍVREAKTOR erős mágnesei modulárisak, ami azt jelenti, hogy könnyen eltávolíthatók, és a központi vákuumtartály, amelyben a fúziós reakció bekövetkezik, gyorsan cserélhető; a frissítések engedélyezése mellett a kivehető edény azt jelenti, hogy egyetlen eszköz használható számos vákuumtartály tesztelésére.
a fúziós reaktorok úgy működnek, hogy a hidrogéngázt vákuumban melegítik, a hidrogénatomok összeolvadása héliumot képez. Csakúgy, mint az atomok hasadása a mai hasadási atomreaktorokban, a fúzió energiát szabadít fel. A fúzió kihívása a plazma (elektromosan töltött gáz) korlátozása volt, miközben mikrohullámokkal melegítette a napnál melegebb hőmérsékletre.
Fenntartható Energia
az ÍVREAKTOR sikeres megépítésének eredménye a tiszta és megbízható energia bőséges forrása lenne, mivel a szükséges üzemanyag-hidrogén izotópok-korlátlan mennyiségben vannak a Földön.
“amit tettünk, az a tudományos alap megteremtése…mert valójában megmutatjuk, hogy van egy életképes út a plazma elszigetelésének tudományában a nettó fúziós energia előállításához-végül is ” – mondta Whyte.
a fúziós kutatás ma az “égő plazma” feltárásának küszöbén áll, amelyen keresztül a fúziós reakcióból származó hő elég hatékonyan korlátozódik a plazmába ahhoz, hogy a reakció hosszú ideig fennmaradjon.
egy pillantás az MIT C-Mod nukleáris fúziós eszközének külsejére. A C-Mod projekt előkészítette az utat egy koncepcionális ÍVREAKTOR számára.
normális esetben a gáz, például a hidrogén, semleges molekulákból áll. Amikor túlhevít egy gázt, azonban, az elektronok elválnak a magoktól, nagy sebességgel csörgő töltött részecskék levesét hozva létre. A mágneses mező ezután ezeket a töltött részecskéket sűrített alakba nyomhatja, arra kényszerítve őket, hogy összeolvadjanak.
a fúziós energia 40 éves talánya az, hogy senki sem tudott olyan fúziós reaktort létrehozni, amely több energiát bocsát ki, mint amennyi a működtetéséhez szükséges. Más szavakkal, több energiára van szükség ahhoz, hogy a plazma forró maradjon és fúziós energiát termeljen, mint az általa termelt fúziós energia.
Európa működő tokamak reaktora, a JET, tartja a világrekordot az energiatermelés terén; 16mw fúziós energiát termel, de működéséhez 24MW villamos energiára van szükség.
az MIT kutatói azonban úgy vélik, hogy megvan a válasz a nettó energia problémájára, és viszonylag apró csomagban lesz elérhető a mai atommaghasadásos erőművekhez képest. Azáltal, hogy a reaktor kisebb, ez is teszi olcsóbb építeni. Ezenkívül az ív moduláris lenne, lehetővé téve számos alkatrészének eltávolítását a frissítések javítása érdekében, amit korábban nem sikerült elérni.
ami megkülönbözteti az MIT fúziós eszközét
amit az MIT egyedül tett, az a világ legerősebb mágneses elszigetelő mezőjének létrehozása egy ilyen méretű reaktor számára. Minél nagyobb a mágneses mező, annál nagyobb a fúziós reakció és annál nagyobb a termelt teljesítmény.
“nagyon bízunk benne, hogy meg tudjuk mutatni, hogy ez a közeg több fúziós energiát képes előállítani, mint amennyi ahhoz szükséges, hogy melegen tartsa” – mondta Whyte.
a javasolt ÍVREAKTOR kivágott nézete. Az erőteljes új mágneses technológiának köszönhetően a sokkal kisebb, olcsóbb ÍVREAKTOR ugyanolyan teljesítményt nyújtana, mint egy sokkal nagyobb reaktor.
a fúziós reaktoroknak számos előnye lenne a mai hasadási atomreaktorokkal szemben. Egyrészt a fúziós reaktorok kevés radioaktív hulladékot termelnének. A fúziós reaktorok úgynevezett “aktivációs termékeket” állítanak elő a fúziós neutronokkal.
az előállított radioaktív izotópok kis mennyisége rövid élettartamú, felezési ideje több tíz évig tart, szemben a hasadási hulladékból származó több ezer évvel-mondta a Sorbom.
a reaktorok kevesebb energiát használnának a működéshez, mint a hasadási reaktorok.
míg az MIT jelenlegi Alcator C-Modja nem termel áramot, demonstrálja a mágneses elszigetelő mező hatását a szupermelegített plazmára, és forrón 100 millió Fahrenheit fokról beszélünk. Összehasonlításképpen, a Napunk hideg 27 millió Fahrenheit fok.
messze nem veszélyes, a 100 millió fokos plazma azonnal lehűl, és újra gázállapotba kerül, amikor megérinti a reaktor belső oldalát. Ezért van szükség egy erős mágneses elszigetelő mezőre.
csakúgy, mint egy hasadási atomreaktor, a fúziós reaktor lényegében gőzgép lenne. A szabályozott fúziós reakcióból származó hőt egy gőzturbina forgatására használják,amely viszont elektromos generátorokat hajt.
az MIT jelenlegi C-Mod fúziós eszköze bőséges deutériumot használ plazma üzemanyagként. A deutérium egy hidrogén izotóp, amely nem radioaktív, és a tengervízből kinyerhető.
a koncepcionális ÍVREAKTOR létrehozásához azonban egy második hidrogén izotópra van szükség: trícium. Ez azért van, mert a deutérium-deutérium izotópok összeolvadásának sebessége körülbelül 200-szor kisebb, mint a deutérium-trícium izotópok összeolvadásának sebessége.
a trícium, bár radioaktív, csak felezési ideje körülbelül 10 év. Bár a trícium természetesen nem fordul elő, a lítium neutronokkal történő bombázásával hozható létre. Ennek eredményeként könnyen előállítható fenntartható üzemanyagforrásként.
fúziós reaktoroknál a kisebb jobb
míg az MIT reaktora nem biztos, hogy kényelmesen illeszkedik Tony Stark mellkasába (ez végül is film), ez lenne a legkisebb fúziós reaktor a Föld legerősebb mágneses elszigetelő kamrájával. Ez nyolc Teslas vagy körülbelül két MRI gép teljesítményét eredményezné.
összehasonlításképpen: Dél-Franciaországban hét nemzet (köztük az Egyesült Államok).) együttműködtek a világ legnagyobb fúziós reaktorának, a nemzetközi termonukleáris kísérleti reaktor (ITER) Tokamak megépítésében. Az ITER fúziós kamra fúziós sugara 6,5 méter, szupravezető mágnesei pedig 11,8 Teslas erőt eredményeznének.
az ITER reaktor azonban körülbelül kétszer akkora, mint az ARC, és súlya 3400 tonna-16-szor olyan nehéz, mint bármely korábban gyártott fúziós edény. A D-alakú reaktor mérete 11 és 17 méter között lesz, tokamak plazma sugara 6,2 méter, majdnem kétszerese az ív 3,3 méteres sugarának.
az ITER projekt koncepciója 1985-ben kezdődött, az építkezés pedig 2013-ban kezdődött. Becsült ára 14-20 milliárd dollár. Whyte azonban úgy véli, hogy az ITER végül sokkal drágább lesz, 40-50 milliárd dollár, “az a tény, hogy az amerikai hozzájárulás” 4-5 milliárd dollár, “és 9% – os partnerek vagyunk.”
ezenkívül az ITER befejezési ütemterve 2020, a teljes deutérium-trícium fúziós kísérletek 2027-ben kezdődnek.
Ha elkészült, az ITER várhatóan az első fúziós reaktor, amely nettó energiát termel, de ez az erő nem termel villamos energiát; egyszerűen előkészíti az utat egy olyan reaktor számára, amely képes.
az MIT ARC reaktora várhatóan 4-5 milliárd dollárba kerül, és négy-öt év alatt elkészülhet-mondta a Sorbom.
az ok, hogy az ív hamarabb és az ITER költségének egytizedével elkészülhet, annak köszönhető, hogy mérete és az új, magas terepi szupravezetők használata magasabb hőmérsékleten működik, mint a tipikus szupravezetők.
a fúziós reaktorok általában alacsony hőmérsékletű szupervezetőket használnak mágneses tekercsként. A tekercseket körülbelül 4 Kelvin fokra, vagy mínusz 452 Fahrenheit fokra kell hűteni a működéshez. Az MIT tokamak fúziós eszköze “magas hőmérsékletű” ritkaföldfém bárium-réz-oxid (REBCO) szupravezető szalagot használ mágneses tekercseihez, ami sokkal olcsóbb és hatékonyabb. Természetesen a” magas hőmérséklet ” Relatív: a REBCO tekercsek 100 Kelvin fokon vagy körülbelül mínusz 280 Fahrenheit fokon működnek, de ez elég meleg ahhoz, hogy hűtőanyagként bőséges folyékony nitrogént használjanak.
bal kezében Brandon Sorbom egy ritkaföldfém bárium-réz-oxid (REBCO) szupravezető szalagot tart, amelyet a fúziós reaktor mágneses tekercseiben használnak. Jobb kezében egy tipikus réz elektromos kábel. Az új szupervezető szalag használata csökkenti a költségeket, és lehetővé teszi az MIT számára, hogy bőséges folyékony nitrogént használjon hűtőközegként.
“Ez az új szupravezető technológia lehetővé teszi a fúziós eszköz méretének csökkentését” – mondta Sorbom. “Míg a szupravezetők az 1980-as évek vége óta léteznek a laboratóriumokban, az elmúlt öt évben a vállalatok ezt a cuccot szalagokká alakították ilyen nagyszabású projektekhez.”
a méret és a költség mellett a REBCO szalag képes 10-szeresére növelni a fúziós teljesítményt a szokásos szupravezető technológiához képest.
mielőtt az MIT íve felépíthető lenne, a kutatóknak először be kell bizonyítaniuk, hogy képesek fenntartani a fúziós reakciót. Jelenleg az MIT C-Mod reaktora csak néhány másodpercig működik minden egyes tüzeléskor. Valójában annyi energiát igényel, hogy az MIT-nek puffer transzformátort kell használnia annak érdekében, hogy elegendő villamos energiát tároljon ahhoz, hogy Cambridge városának barnulása nélkül működhessen. És a plazma sugara mindössze 0,68 méter, C-Mod has sokkal kisebb, mint még az ARC reaktor lenne
így mielőtt épít az ARC reaktor, MIT következő fúziós eszköz – az Advanced Divertor és RF tokamak eXperiment (ADX)-tesztelni fogja a különböző eszközöket, hogy hatékonyan kezelni a nap-szerű hőmérséklet, anélkül, hogy rontaná a plazma teljesítményét.
a fenntartható teljesítmény elérése után az ARC meghatározza, hogy lehetséges-e a nettó energiatermelés. Az utolsó akadály, mielőtt a fúziós reaktorok energiát szolgáltatnának a hálózatnak, a hő átadása egy generátornak.
szövetségiek vágott finanszírozás
MIT C-Mod tokamak reaktor egyike a három fő fúziós kutatási létesítmények az Egyesült Államokban, valamint a DIII-D A General Atomics és a Nemzeti gömb alakú tórusz kísérlet frissítés (Nstx-U) A Princeton Plazmafizikai laboratórium.
egy kutató a Wendelstein 7-X (W7-X) belsejében dolgozik egy kísérleti nukleáris fúziós reaktor, amelyet Greifswaldban, Németországban épített a Max-Planck-Institut f). A 2015 októberében elkészült reaktor a mai napig a legnagyobb.
az MIT az év elején megtudta, hogy az Energiaügyi Minisztérium (DOE) alá tartozó fúziós reaktor finanszírozása véget ér. Az Alcator C-Mod leállításáról szóló döntést költségvetési korlátok vezérelték Edmund Synakowski, A Doe fúziós energia tudományok (FES) tudományos társigazgatója szerint.
a jelenlegi költségvetésben a Kongresszus 18 millió dollárt biztosított az MIT C-Mod számára, amely az utolsó évben legalább öt hét műveletet támogat, és fedezi a létesítmény leállításával kapcsolatos költségeket-mondta Synakowski a Computerworld-nek adott e-mail válaszában. (A kutatók remélik, hogy más finanszírozási forrásokat találnak a veszteség pótlására.)
a PSFC körülbelül 50 Ph.D a fúziós energia fejlesztésén dolgozó hallgatók. A korábbi hallgatók elhagyták az MIT-t, hogy saját vállalatokat indítsanak, vagy akadémiai projekteket dolgozzanak ki az MIT-n kívül.
annak biztosítása, hogy az MIT tudósai és hallgatói átállhassanak más DOE által finanszírozott Fúziósenergia-kutató létesítményekbe az Egyesült Államokban-különösen a két elsődleges létesítménybe: a DIII-D-be a General Atomics-ba San Diegóban, és az Nstx-U-ba a Princeton Plazmafizikai laboratóriumba – “az egyik legnagyobb aggodalom” – mondta Synakowski.
az elmúlt pénzügyi évben a FES az MIT-vel együtt dolgozott egy új ötéves együttműködési megállapodás létrehozásán, szeptember elején. 1, 2015, annak érdekében, hogy tudósai áttérhessenek a FES által finanszírozott együttműködésekre.
Whyte azonban úgy véli, hogy a fúziós energia ígérete túl fontos ahhoz, hogy a kutatás leálljon.
“a fúzió túl fontos ahhoz, hogy csak egy út legyen hozzá” – mondta Whyte. “A mottóm kisebb és gyorsabb. Ha tudjuk, a technológia, amely lehetővé teszi számunkra, hogy hozzáférjen a kisebb eszközök és építeni a különböző őket…, akkor ez lehetővé teszi számunkra, hogy eljussunk egy olyan helyre, ahol több lehetőségünk van az asztalon a fúzió gyorsabb időskálán történő fejlesztésére.”
és Whyte szerint a kis fúziós reaktorok tudományos alapját az MIT-n hozták létre.
“ezt annak ellenére tettük, hogy a világon a legkisebb nagy kísérletekkel rendelkezünk. Valójában megvan a rekordunk ennek a plazmának a nyomására. A nyomás az egyik alapvető sáv, amelyen túl kell lépni” – mondta Whyte. “Nagyon izgatottak vagyunk emiatt.”