De afgelopen 20 jaar heeft mit ‘S Plasma Science and Fusion Center (PSFC) geëxperimenteerd met kernfusie via’ s werelds kleinste tokamak-type (donut-vormige) kernfusieapparaat-de Alcator C-Mod.
Het doel? Om ‘ s werelds kleinste fusiereactor te produceren — een die een donutvormige fusiereactie verplettert in een straal van 3,3 meter — waarvan er drie een stad zo groot als Boston van energie kunnen voorzien.
en MIT-onderzoekers komen dicht bij hun doel, ondanks een recente verlaging van de federale financiering die hun vooruitgang zou kunnen vertragen.de lessen die reeds zijn getrokken uit het kleinere alcator C-Mod fusion device van MIT hebben onderzoekers, waaronder mit Ph.D kandidaat Brandon Sorbom en Psfc directeur Dennis Whyte, in staat gesteld om de conceptuele ARC (betaalbaar, robuust, compact) reactor te ontwikkelen.
“We wilden iets produceren dat macht kon produceren, maar zo klein mogelijk zou zijn,” zei Sorbom.
een werkende BOOGFUSIEREACTOR zou 50 megawatt (MW) vermogen gebruiken om 500 mw fusievermogen te produceren, waarvan 200 MW aan het net kan worden geleverd. Dat is genoeg om 200.000 mensen van elektriciteit te voorzien.
een kijkje in de C-Mod van MIT, die slechts 0,68 meter in straal is — de kleinste fusiereactor met het sterkste magnetische veld ter wereld.
terwijl drie andere fusieapparaten van ongeveer dezelfde grootte als de ARC in de afgelopen 35 jaar zijn gebouwd, produceerden ze nergens in de buurt van zijn vermogen. Wat MIT ‘ s reactor onderscheidt, is de supergeleidertechnologie, die het mogelijk maakt om 50 keer meer energie te genereren dan het daadwerkelijk opneemt. (Mit PSFC vorig jaar publiceerde een paper over het prototype boog reactor in de peer reviewed tijdschrift ScienceDirect.)
De krachtige magneten van de BOOGREACTOR zijn modulair, wat betekent dat ze gemakkelijk kunnen worden verwijderd en dat het centrale vacuümvat waarin de fusiereactie plaatsvindt snel kan worden vervangen; naast het mogelijk maken van upgrades, betekent een verwijderbaar vat dat één apparaat kan worden gebruikt om vele vacuümvaten te testen.
fusiereactoren werken door superverhitting van waterstofgas in een vacuüm, waarbij de fusie van waterstofatomen helium vormt. Net als bij het splitsen van atomen in kernsplijtingsreactoren van vandaag, geeft fusie energie vrij. De uitdaging met fusie is het beperken van het plasma (elektrisch geladen gas) terwijl het verwarmen met microgolven tot temperaturen heter dan de zon.
duurzame energie
het resultaat van een succesvolle bouw van een BOOGREACTOR zou een overvloedige bron van schoon en betrouwbaar vermogen zijn, omdat de benodigde brandstof-waterstofisotopen-onbeperkt beschikbaar is op aarde.
” wat we hebben gedaan is het vaststellen van de wetenschappelijke basis…want, in feite, laten zien is er een levensvatbare weg vooruit in de wetenschap van de insluiting van dit plasma om netto fusie-energie te maken-uiteindelijk,” Whyte zei.
fusieonderzoek bevindt zich momenteel op de drempel van het verkennen van “brandend plasma”, waardoor de warmte van de fusiereactie efficiënt genoeg in het plasma wordt beperkt om de reactie gedurende lange perioden aan te houden.
een blik op de buitenkant van MIT ‘ s C-Mod kernfusieapparaat. Het C-Mod-project heeft de weg vrijgemaakt voor een conceptuele BOOGREACTOR.
normaal gesproken bestaat gas zoals waterstof uit neutrale moleculen die rondstuiteren. Wanneer je een gas echter oververhit, scheiden de elektronen zich van de kernen en ontstaat er een soep van geladen deeltjes die met hoge snelheden rond rammelen. Een magnetisch veld kan dan die geladen deeltjes in een gecondenseerde vorm drukken, waardoor ze samen smelten.
het 40-jarige raadsel van fusievermogen is dat niemand in staat is geweest een fusiereactor te creëren die meer vermogen produceert dan nodig is om deze te exploiteren. Met andere woorden, er is meer vermogen nodig om het plasma warm te houden en fusie-energie op te wekken dan de fusie-energie die het produceert.de Europese tokamakreactor, JET, heeft het wereldrecord op het gebied van de opwekking van energie.de reactor genereert 16 MW fusievermogen, maar vereist 24 MW elektriciteit om te kunnen functioneren.
de onderzoekers van het MIT geloven echter dat zij het antwoord hebben op het netto-energieprobleem en het zal beschikbaar zijn in een relatief klein pakket in vergelijking met de huidige kernsplijtingscentrales. Door de reactor kleiner te maken, wordt het ook minder duur om te bouwen. Bovendien zou de boog modulair zijn, waardoor de vele onderdelen kunnen worden verwijderd voor reparaties aan upgrades, iets wat niet eerder is bereikt.
wat het fusieapparaat van MIT onderscheidt
wat MIT alleen al heeft gedaan, is het sterkste magnetische insluitingsveld ter wereld creëren voor een reactor van zijn grootte. Hoe hoger het magnetisch veld, hoe groter de fusiereactie en hoe groter het geproduceerde vermogen.
” We zijn er zeer zeker van dat we in staat zullen zijn om te laten zien dat dit medium meer fusievermogen kan maken dan nodig is om het warm te houden,” zei Whyte.
een cutaway weergave van de voorgestelde BOOGREACTOR. Dankzij de krachtige nieuwe magneettechnologie zou de veel kleinere, minder dure BOOGREACTOR hetzelfde vermogen leveren als een veel grotere reactor.
fusiereactoren zouden verscheidene voordelen hebben ten opzichte van de huidige kernsplijtingsreactoren. Ten eerste zouden fusiereactoren weinig radioactief afval produceren. Fusiereactoren produceren zogenaamde “activeringsproducten” met de fusie neutronen.
De kleine hoeveelheid geproduceerde radioactieve isotopen zijn van korte duur, met een halveringstijd van tientallen jaren Versus duizenden jaren van splijtingsafval, zei Sorbom.
de reactoren zouden ook minder energie verbruiken dan splijtingsreactoren.
terwijl MIT ‘ s huidige Alcator C-Mod geen elektriciteit produceert, demonstreert het de effecten van een magnetisch insluitingsveld op oververhit plasma, en door heet hebben we het over 100 miljoen graden Fahrenheit. Ter vergelijking, onze Zon is een kille 27 miljoen graden Fahrenheit.
het plasma van 100 miljoen graden is verre van gevaarlijk, maar koelt onmiddellijk af en herstelt een gasvormige toestand wanneer het de binnenzijde van de reactor raakt. Daarom is een krachtig magnetisch veld nodig.
net als een kernsplijtingsreactor zou een fusiereactor in wezen een stoommachine zijn. De warmte van de gecontroleerde fusiereactie wordt gebruikt om een stoomturbine te draaien die op zijn beurt elektrische generatoren aandrijft.
het huidige C-Mod-fusieapparaat van MIT gebruikt overvloedig deuterium als plasmabrandstof. Deuterium is een waterstofisotoop die niet radioactief is en kan worden geëxtraheerd uit zeewater.
om een conceptuele BOOGREACTOR te maken is echter een tweede waterstofisotoop nodig: tritium. Dat komt omdat de snelheid waarmee deuterium-deuterium isotopen fuseren ongeveer 200 keer minder is dan de snelheid waarmee deuterium-tritium isotopen fuseren.
Tritium, hoewel radioactief, heeft slechts een halfwaardetijd van ongeveer 10 jaar. Hoewel tritium niet van nature voorkomt, kan het ontstaan door lithium te bombarderen met neutronen. Hierdoor kan het gemakkelijk worden geproduceerd als een duurzame bron van brandstof.
bij fusiereactoren, kleiner is beter
terwijl de MIT-reactor misschien niet gemakkelijk in Tony Stark ‘ s borst past (dat is toch een film), zou het de kleinste fusiereactor zijn met de krachtigste magnetische insluitingskamer op aarde. Het zou de kracht van acht Tesla ‘ s of ongeveer twee MRI-machines produceren.
ter vergelijking, in Zuid-Frankrijk, zeven landen (waaronder de VS)) hebben samengewerkt aan de bouw van ‘ s werelds grootste fusiereactor, de internationale thermonucleaire experimentele Reactor (ITER) Tokamak. De fusiekamer van ITER heeft een fusiestraal van 6,5 meter en de supergeleidende magneten zouden 11,8 Tesla ‘ s kracht produceren.
de ITER-reactor is echter ongeveer tweemaal zo groot als de boog en weegt 3400 ton, 16 keer zo zwaar als elk eerder vervaardigd fusievat. De D-vormige reactor zal tussen 11 meter en 17 meter groot zijn en een tokamak plasma straal van 6,2 meter hebben, bijna twee keer de straal van 3,3 meter van de boog.
het concept voor het ITER-project begon in 1985 en de bouw begon in 2013. Het heeft een geschat prijskaartje van tussen de $ 14 miljard en $ 20 miljard. Whyte is echter van mening dat ITER uiteindelijk veel duurder zal worden, $40 miljard tot $50 miljard, gebaseerd op “het feit dat de bijdrage van de VS $4 miljard tot $5 miljard is,” en we zijn 9% partners.”
bovendien is het tijdschema voor de voltooiing van ITER 2020, met volledige deuterium-tritiumfusieexperimenten vanaf 2027.
wanneer ITER voltooid is, wordt verwacht dat het de eerste fusiereactor is die nettovermogen genereert, maar dat vermogen zal geen elektriciteit produceren; het zal alleen de weg bereiden voor een reactor die dat wel kan.
De BOOGREACTOR van MIT zal naar verwachting $4 miljard tot $5 miljard dollar kosten en kan binnen vier tot vijf jaar worden voltooid, zei Sorbom.
de reden ARC kan eerder worden voltooid en voor een tiende van de kosten van ITER is te wijten aan de omvang en het gebruik van de nieuwe high-field supergeleiders die werken bij hogere temperaturen dan typische supergeleiders.
normaal gesproken gebruiken fusiereactoren supergeleiders bij lage temperatuur als magnetische spoelen. De spoelen moeten afkoelen tot ongeveer 4 graden Kelvin, of min 452 graden Fahrenheit, om te functioneren. MIT ’s tokamak fusion apparaat gebruikt een” hoge temperatuur ” zeldzame aarde barium koperoxide (REBCO) supergeleidende tape voor zijn magnetische spoelen, die veel goedkoper en efficiënt is. Natuurlijk is” hoge temperatuur ” relatief: de rebco-spoelen werken op 100 graden Kelvin, of ongeveer min 280 graden Fahrenheit, maar dat is warm genoeg om overvloedige vloeibare stikstof als koelmiddel te gebruiken.
in zijn linkerhand heeft Brandon Sorbom een zeldzame aard barium koperoxide (REBCO) supergeleidende tape gebruikt in de magnetische spoelen van de fusiereactor. In zijn rechterhand is een typische koperen elektrische kabel. Het gebruik van de nieuwe supergeleidende tape verlaagt de kosten en stelt MIT in staat om overvloedige vloeibare stikstof als koelmiddel te gebruiken.
” De technologie die het mogelijk maakt om de grootte van het fusieapparaat te verkleinen is deze nieuwe supergeleidende technologie, ” zei Sorbom. “Terwijl de supergeleiders al sinds de late jaren 1980 in laboratoria zijn, hebben bedrijven in de afgelopen vijf jaar of zo dit spul gecommercialiseerd tot tapes voor grootschalige projecten als deze.”
naast de grootte en de kosten is REBCO tape ook in staat om het fusievermogen 10-voudig te verhogen in vergelijking met standaard supergeleidingstechnologie.
voordat de ARC van MIT kan worden gebouwd, moeten onderzoekers echter eerst bewijzen dat ze een fusiereactie kunnen doorstaan. Op dit moment draait MIT ‘ S C-Mod reactor slechts een paar seconden elke keer dat het wordt opgestart. In feite heeft het zoveel stroom nodig, dat MIT een buffertransformator moet gebruiken om genoeg elektriciteit op te slaan om het te laten draaien zonder de Stad Cambridge uit te broeien. En met een plasmastraal van slechts 0,68 meter, is C-Mod veel kleiner dan zelfs de BOOGREACTOR zou
dus voordat het de BOOGREACTOR bouwt, zal het volgende fusieapparaat van MIT-het Advanced Divertor en RF tokamak eXperiment (ADX) – verschillende middelen testen om de zonachtige temperaturen effectief aan te kunnen zonder de plasmaprestaties te verlagen.
na het bereiken van duurzame prestaties zal de ARC bepalen of netto elektriciteitsproductie mogelijk is. De laatste hindernis voordat fusiereactoren stroom kunnen leveren aan het net is het overbrengen van de warmte naar een generator.
Feds cut funding
MIT ‘ S C-Mod tokamak reactor is een van de drie belangrijkste fusieonderzoeksfaciliteiten in de VS, samen met DIII-D bij General Atomics en de National Sferical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) bij het Princeton Plasma Physics Laboratory.
een onderzoeker werkt in de Wendelstein 7-X (W7-X) een experimentele kernfusiereactor gebouwd in Greifswald, Duitsland, door het Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). De reactor, voltooid in oktober 2015, is de grootste tot nu toe.
door zijn inspanningen een moer te geven, vernam het MIT eerder dit jaar dat de financiering van zijn fusiereactor Onder het Ministerie van energie (DOE) ten einde loopt. De beslissing om Alcator C-Mod te sluiten werd gedreven door budgettaire beperkingen, volgens Edmund Synakowski, associate director of science for Fusion Energy Sciences (FES) bij het DOE.
in de huidige begroting, Congres heeft $18 miljoen voor MIT ‘ S C-Mod, die ten minste vijf weken van de activiteiten in zijn laatste jaar zal ondersteunen en dekken de kosten in verband met de sluiting van de faciliteit, Synakowski zei in een e-mail antwoord op Computerworld. (Onderzoekers hopen andere financieringsbronnen te vinden om het verlies goed te maken.)
De PSFC heeft ongeveer 50 Ph.D studenten die werken aan de ontwikkeling van fusie-energie. Eerdere studenten hebben MIT verlaten om hun eigen bedrijven te starten of te nemen ontwikkelen academische projecten buiten MIT.ervoor zorgen dat wetenschappers en studenten aan het MIT kunnen overstappen op samenwerking bij andere door DOE gefinancierde onderzoeksfaciliteiten voor fusie-energie in de VS — vooral de twee primaire faciliteiten: DIII-D bij General Atomics in San Diego, en NSTX-U bij Princeton Plasma Physics Laboratory — is “een van de grootste zorgen geweest,” zei Synakowski.
in het afgelopen boekjaar heeft FES met het MIT samengewerkt om een nieuwe vijfjarige samenwerkingsovereenkomst op te zetten, die op Sept begint. 1, 2015, om zijn wetenschappers in staat te stellen om over te stappen naar door FES gefinancierde samenwerkingen.
Whyte is echter van mening dat de belofte van fusie-energie te belangrijk is om onderzoek af te wikkelen.
“fusie is te belangrijk om er maar één weg naar te hebben,” zei Whyte. “Mijn motto is kleiner en sneller. Als we de technologie kunnen gebruiken waarmee we kleinere apparaten kunnen openen en er een verscheidenheid van kunnen bouwen… dit stelt ons in staat om naar een plek te komen waar we meer opties op tafel hebben om fusie te ontwikkelen op een snellere tijdschaal.”
En, aldus Whyte, De wetenschappelijke basis voor kleine fusiereactoren is vastgesteld aan het MIT.
” we deden dat ondanks het feit dat we de kleinste van de belangrijkste experimenten over de hele wereld hebben. We hebben het record voor het bereiken van druk van dit plasma. Druk is een van de fundamentele bars die je moet krijgen over,” Whyte zei. “We zijn hier erg enthousiast over.”