Negli ultimi 20 anni, Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT ha sperimentato la fusione nucleare attraverso il più piccolo dispositivo di fusione nucleare di tipo tokamak (a forma di ciambella) del mondo-l’Alcator C-Mod.
L’obiettivo? Per produrre il reattore a fusione più piccolo del mondo that uno che schiaccia una reazione di fusione a forma di ciambella in un raggio di 3,3 metri three tre dei quali potrebbero alimentare una città delle dimensioni di Boston.
E i ricercatori del MIT si stanno avvicinando al loro obiettivo, nonostante un recente taglio dei finanziamenti federali che potrebbe rallentare i loro progressi.
Le lezioni già apprese dal più piccolo dispositivo di fusione Alcator C-Mod del MIT hanno permesso ai ricercatori, tra cui il candidato al dottorato del MIT Brandon Sorbom e il direttore del PSFC Dennis Whyte, di sviluppare il reattore concettuale ARC (affordable, robust, compact).
“Volevamo produrre qualcosa che potesse produrre energia, ma essere il più piccolo possibile”, ha detto Sorbom.
Un reattore a fusione ad ARCO funzionante utilizzerebbe 50 megawatt (MW) di potenza per produrre 500 MW di potenza di fusione, 200 MW dei quali potrebbero essere consegnati alla rete. Questo è sufficiente per fornire elettricità a 200.000 persone.
Uno sguardo all’interno C-Mod del MIT, che è solo 0,68 metri di raggio-il più piccolo reattore a fusione con il campo magnetico più forte del mondo.
Mentre altri tre dispositivi fusion più o meno delle stesse dimensioni dell’ARC sono stati costruiti negli ultimi 35 anni, non hanno prodotto nulla vicino alla sua potenza. Ciò che distingue il reattore del MIT è la sua tecnologia superconduttore, che gli consentirebbe di creare 50 volte la potenza che effettivamente attinge. (PSFC del MIT lo scorso anno ha pubblicato un documento sul prototipo ARC reactor nella rivista peer reviewed ScienceDirect.)
I potenti magneti del reattore ARC sono modulari, il che significa che possono essere facilmente rimossi e il recipiente centrale del vuoto in cui avviene la reazione di fusione può essere sostituito rapidamente; oltre a consentire aggiornamenti, un recipiente rimovibile significa che un singolo dispositivo potrebbe essere utilizzato per testare molti progetti di recipienti sotto vuoto.
I reattori a fusione funzionano surriscaldando l’idrogeno gassoso nel vuoto, la fusione degli atomi di idrogeno forma l’elio. Proprio come con la scissione degli atomi nei reattori nucleari di fissione di oggi, la fusione rilascia energia. La sfida con la fusione è stata confinare il plasma (gas elettricamente caricato) mentre lo riscaldava con microonde a temperature più calde del Sole.
Energia sostenibile
Il risultato di costruire con successo un reattore ARC sarebbe una fonte abbondante di energia pulita e affidabile, perché il combustibile necessario-isotopi di idrogeno-è in fornitura illimitata sulla Terra.
“Quello che abbiamo fatto è stabilire le basi scientifiche…infatti, mostrando che c’è un percorso praticabile in avanti nella scienza del contenimento di questo plasma per produrre energia di fusione netta eventually alla fine”, ha detto Whyte.
La ricerca sulla fusione oggi è alla soglia dell’esplorazione del “plasma in fiamme”, attraverso il quale il calore della reazione di fusione viene confinato nel plasma in modo efficiente in modo tale che la reazione possa essere sostenuta per lunghi periodi di tempo.
Uno sguardo all’esterno del dispositivo di fusione nucleare C-Mod del MIT. Il progetto C-Mod ha aperto la strada per un reattore ARC concettuale.
Normalmente, gas come l’idrogeno è costituito da molecole neutre che rimbalzano intorno. Quando si surriscalda un gas, tuttavia, gli elettroni si separano dai nuclei creando una zuppa di particelle cariche sferragliare intorno alle alte velocità. Un campo magnetico può quindi premere quelle particelle cariche in una forma condensata, costringendoli a fuse insieme.
L’enigma di 40 anni di potenza di fusione è che nessuno è stato in grado di creare un reattore a fusione che emette più energia di quella necessaria per azionarlo. In altre parole, è necessaria più energia per mantenere il plasma caldo e generare energia di fusione rispetto alla potenza di fusione che produce.
Il reattore tokamak funzionante in Europa, denominato JET, detiene il record mondiale per la creazione di energia elettrica; genera 16 MW di potenza di fusione ma richiede 24 MW di elettricità per funzionare.
I ricercatori del MIT, tuttavia, credono di avere la risposta al problema della rete elettrica e sarà disponibile in un pacchetto relativamente piccolo rispetto alle attuali centrali a fissione nucleare. Rendendo il reattore più piccolo, lo rende anche meno costoso da costruire. Inoltre, l’ARCO sarebbe modulare, consentendo alle sue molte parti di essere rimosso per le riparazioni agli aggiornamenti, cosa non precedentemente raggiunta.
Ciò che distingue il dispositivo di fusione del MIT
Ciò che il MIT da solo ha fatto è creare il campo di contenimento magnetico più forte del mondo per un reattore delle sue dimensioni. Maggiore è il campo magnetico, maggiore è la reazione di fusione e maggiore è la potenza prodotta.
“Siamo molto fiduciosi che saremo in grado di dimostrare che questo mezzo può produrre più potenza di fusione di quella necessaria per mantenerlo caldo”, ha detto Whyte.
Una vista in spaccato del reattore ARC proposto. Grazie alla nuova potente tecnologia a magneti, il reattore ARC, molto più piccolo e meno costoso, fornirebbe la stessa potenza di un reattore molto più grande.
I reattori a fusione avrebbero diversi vantaggi rispetto agli attuali reattori nucleari a fissione. Per uno, i reattori a fusione produrrebbero pochi rifiuti radioattivi. I reattori a fusione producono i cosiddetti” prodotti di attivazione ” con i neutroni di fusione.
La piccola quantità di isotopi radioattivi prodotti sono di breve durata, con un tempo di dimezzamento della durata di decine di anni vs. migliaia di anni da prodotti di scarto di fissione, Sorbom detto.
I reattori utilizzerebbero anche meno energia per funzionare rispetto ai reattori a fissione.
Mentre l’attuale Alcatore C-Mod del MIT non produce elettricità, dimostra gli effetti di un campo di contenimento magnetico sul plasma super-riscaldato, e per caldo stiamo parlando di 100 milioni di gradi Fahrenheit. In confronto, il nostro sole è un freddo 27 milioni di gradi Fahrenheit.
Lungi dall’essere pericoloso, il plasma di 100 milioni di gradi si raffredda istantaneamente e riprende uno stato gassoso quando tocca i lati interni del reattore. Ecco perché è necessario un potente campo di contenimento magnetico.
Proprio come un reattore nucleare a fissione, un reattore a fusione sarebbe essenzialmente un motore a vapore. Il calore della reazione di fusione controllata viene utilizzato per trasformare una turbina a vapore che, a sua volta, aziona generatori elettrici.
L’attuale dispositivo di fusione C-Mod del MIT utilizza abbondante deuterio come combustibile al plasma. Il deuterio è un isotopo dell’idrogeno che non è radioattivo e può essere estratto dall’acqua di mare.
Per creare un reattore ad arco concettuale, tuttavia, è necessario un secondo isotopo dell’idrogeno: il trizio. Questo perché la velocità con cui gli isotopi di deuterio-deuterio si fondono è circa 200 volte inferiore alla velocità con cui gli isotopi di deuterio-trizio si fondono.
Il trizio, mentre radioattivo, ha solo un’emivita di circa 10 anni. Sebbene il trizio non si presenti naturalmente, può essere creato bombardando il litio con neutroni. Di conseguenza, può essere facilmente prodotto come fonte di carburante sostenibile.
Con i reattori a fusione, più piccolo è meglio
Mentre reattore del MIT potrebbe non adattarsi comodamente nel petto di Tony Stark (che è un film dopo tutto), sarebbe il più piccolo reattore a fusione con la più potente camera di contenimento magnetico sulla terra. Produrrebbe la potenza di otto Teslas o circa due macchine MRI.
In confronto, nel sud della Francia, sette nazioni (compresi gli Stati Uniti.) hanno collaborato alla costruzione del più grande reattore a fusione del mondo, l’International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) Tokamak. La camera di fusione ITER ha un raggio di fusione di 6,5 metri e i suoi magneti superconduttori produrrebbero 11,8 Teslas di forza.
Tuttavia, il reattore ITER è circa il doppio dell’arco e pesa 3.400 tonnellate-16 volte più pesante di qualsiasi nave da fusione precedentemente prodotta. Il reattore a forma di D avrà dimensioni comprese tra 11 e 17 metri e un raggio di plasma tokamak di 6,2 metri, quasi il doppio del raggio di 3,3 metri dell’ARCO.
Il concetto per il progetto ITER è iniziato nel 1985 e la costruzione è iniziata nel 2013. Ha un prezzo stimato tra $14 miliardi e billion 20 miliardi. Whyte, tuttavia, ritiene che ITER finirà per essere molto più costoso, da billion 40 miliardi a billion 50 miliardi, basato sul “fatto che il contributo degli Stati Uniti” è di billion 4 miliardi a billion 5 miliardi “e siamo partner 9%.”
Inoltre, il calendario di ITER per il completamento è 2020, con esperimenti completi di fusione deuterio-trizio a partire da 2027.
Una volta completato, ITER dovrebbe essere il primo reattore a fusione a generare energia netta, ma che il potere non produrrà elettricità; sarà semplicemente preparare la strada per un reattore che può.
reattore ARC del MIT si prevede di costare $4 miliardi a 5 5 miliardi di dollari e potrebbe essere completato in un quattro o cinque anni, Sorbom ha detto.
Il motivo per cui ARC potrebbe essere completato prima e ad un decimo del costo di ITER è dovuto alle sue dimensioni e all’uso dei nuovi superconduttori ad alto campo che operano a temperature più elevate rispetto ai superconduttori tipici.
Tipicamente, i reattori a fusione utilizzano super conduttori a bassa temperatura come bobine magnetiche. Le bobine devono raffreddati a circa 4 gradi Kelvin, o meno 452 gradi Fahrenheit, per funzionare. Il dispositivo tokamak fusion del MIT utilizza un nastro superconduttore di ossido di rame di bario (REBCO) delle terre rare” ad alta temperatura ” per le sue bobine magnetiche, che è molto meno costoso ed efficiente. Certo, “alta temperatura” è relativa: le bobine REBCO funzionano a 100 gradi Kelvin, o circa meno 280 gradi Fahrenheit, ma è abbastanza caldo da usare abbondante azoto liquido come agente di raffreddamento.
Nella sua mano sinistra, Brandon Sorbom tiene un nastro superconduttore di ossido di rame di bario (REBCO) usato nelle bobine magnetiche del reattore a fusione. Nella sua mano destra è un tipico cavo elettrico in rame. L’uso del nuovo nastro super conduttore riduce i costi e consente al MIT di utilizzare abbondante azoto liquido come agente di raffreddamento.
“La tecnologia abilitante per essere in grado di ridurre le dimensioni del dispositivo di fusione è questa nuova tecnologia superconduttrice”, ha affermato Sorbom. “Mentre i superconduttori sono in circolazione dalla fine degli anni’ 80 nei laboratori, negli ultimi cinque anni o giù di lì le aziende hanno commercializzato questa roba in nastri per progetti su larga scala come questo.”
Oltre alle dimensioni e ai costi, REBCO tape è anche in grado di aumentare la potenza di fusione di 10 volte rispetto alla tecnologia superconduttrice standard.
Prima che l’ARCO del MIT possa essere costruito, tuttavia, i ricercatori devono prima dimostrare di poter sostenere una reazione di fusione. Attualmente, il reattore C-Mod del MIT funziona solo pochi secondi ogni volta che viene attivato. In realtà, richiede tanta potenza, che il MIT deve utilizzare un trasformatore tampone in modo da immagazzinare abbastanza energia elettrica per eseguirlo senza browning fuori la città di Cambridge. E, con un raggio di plasma di soli 0,68 metri, C-Mod è molto più piccolo persino del reattore ARC, quindi prima di costruire il reattore ARC, il prossimo dispositivo di fusione del MIT-l’Advanced Divertor and RF tokamak eXperiment (ADX)-testerà vari mezzi per gestire efficacemente le temperature simili al sole senza degradare le prestazioni del plasma.
Dopo aver raggiunto prestazioni sostenibili, l’ARCO determinerà se la generazione di energia netta è possibile. L’ultimo ostacolo prima che i reattori a fusione possano fornire energia alla rete sta trasferendo il calore a un generatore.
I federali hanno tagliato i finanziamenti
Il reattore tokamak C-Mod del MIT è una delle tre principali strutture di ricerca sulla fusione negli Stati Uniti, insieme al DIII-D presso General Atomics e al National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) presso il laboratorio di fisica del plasma di Princeton.
Un ricercatore lavora all’interno del Wendelstein 7-X (W7-X) un reattore sperimentale a fusione nucleare costruito a Greifswald, in Germania, dal Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). Il reattore, completato nell’ottobre 2015, è il più grande fino ad oggi.
Gettando una chiave nei suoi sforzi, MIT appreso all’inizio di quest’anno che il finanziamento per il suo reattore a fusione sotto il Dipartimento dell’Energia (DOE) sta volgendo al termine. La decisione di chiudere Alcator C-Mod è stata guidata da vincoli di bilancio, secondo Edmund Synakowski, direttore associato della scienza per le scienze dell’energia da fusione (FES) presso il DOE.
Nel bilancio corrente, il Congresso ha fornito million 18 milioni per C-Mod del MIT, che sosterrà almeno cinque settimane di operazioni nel suo ultimo anno e coprire i costi associati con l’arresto della struttura, Synakowski ha detto in una risposta e-mail a Computerworld. (I ricercatori sperano di trovare altre fonti di finanziamento per compensare la perdita.)
Il PSFC ha circa 50 Ph.D studenti che lavorano per sviluppare l’energia da fusione. Gli studenti del passato hanno lasciato il MIT per avviare le proprie aziende o prendere sviluppare progetti accademici al di fuori del MIT.
Assicurarsi che scienziati e studenti del MIT possano passare a collaborazioni in altre strutture di ricerca sull’energia da fusione finanziate dal DOE negli Stati Uniti-in particolare le due strutture primarie: DIII-D presso General Atomics a San Diego e NSTX-U presso il laboratorio di fisica del plasma di Princeton-è stata “una delle principali preoccupazioni”, ha detto Synakowski.
Nel corso dello scorso anno fiscale, FES ha lavorato con il MIT per stabilire un nuovo accordo di cooperazione quinquennale, a partire dal settembre. 1, 2015, per consentire ai suoi scienziati di passare a collaborazioni finanziate da FES.
Whyte, tuttavia, ritiene che la promessa dell’energia da fusione sia troppo importante per la ricerca.
“La fusione è troppo importante per avere un solo percorso”, ha detto Whyte. “Il mio motto è più piccolo e più presto. Se possiamo la tecnologia che ci permette di accedere a dispositivi più piccoli e costruire una varietà di loro…, quindi questo ci permette di arrivare a un posto dove abbiamo più opzioni sul tavolo per sviluppare la fusione su una scala temporale più veloce.”
E, Whyte ha detto, la base scientifica per i piccoli reattori a fusione è stata stabilita al MIT.
” Lo abbiamo fatto nonostante il fatto che abbiamo il più piccolo dei principali esperimenti in tutto il mondo. In realtà abbiamo il record per ottenere la pressione di questo plasma. La pressione è una delle barre fondamentali che devi superare”, ha detto Whyte. “Siamo molto entusiasti di questo.”