przez ostatnie 20 lat Centrum Nauki i syntezy jądrowej MIT (PSFC) eksperymentowało z fuzją jądrową za pomocą najmniejszego na świecie urządzenia do syntezy jądrowej typu tokamak (w kształcie pączka)-Alcator C-Mod.
cel? Aby wyprodukować najmniejszy reaktor fuzyjny na świecie, który zmiażdży reakcję fuzyjną w kształcie pączka w promieniu 3,3 metra, z czego trzy mogą zasilić miasto wielkości Bostonu.
i badacze z MIT zbliżają się do celu, pomimo niedawnej redukcji funduszy federalnych, która może spowolnić ich postępy.
wnioski wyciągnięte już z mniejszego urządzenia fuzji Alcator C-Mod mit umożliwiły naukowcom, w tym kandydatowi na doktora MIT Brandonowi Sorbomowi i Dyrektorowi PSFC Dennisowi Whyte ’ owi, opracowanie koncepcyjnego reaktora ARC (przystępnego cenowo, solidnego i kompaktowego).
„chcieliśmy produkować coś, co może produkować energię, ale być jak najmniejsze” – powiedział Sorbom.
działający reaktor fuzji łukowej zużywałby 50 megawatów (MW) energii do produkcji 500 MW energii termojądrowej, z czego 200 MW mogłoby zostać dostarczone do sieci. To wystarczy, by zapewnić elektryczność 200 000 ludziom.
spojrzenie na C-Mod MIT, który ma tylko 0,68 metra w promieniu-najmniejszy reaktor fuzyjny z najsilniejszym polem magnetycznym na świecie.
podczas gdy trzy inne urządzenia fuzyjne mniej więcej tego samego rozmiaru co ARC zostały zbudowane w ciągu ostatnich 35 lat, nie produkowały one w pobliżu jego mocy. To, co wyróżnia reaktor MIT, to technologia nadprzewodników, która umożliwiłaby mu wytworzenie 50 razy większej mocy, niż faktycznie czerpie. (PSFC MIT w zeszłym roku opublikował artykuł na temat prototypowego reaktora łukowego w recenzowanym czasopiśmie ScienceDirect.)
potężne magnesy reaktora łukowego są modułowe, co oznacza, że można je łatwo usunąć, a Centralne naczynie próżniowe, w którym zachodzi reakcja termojądrowa, można szybko wymienić; oprócz umożliwienia modernizacji, wyjmowane naczynie oznacza, że pojedyncze urządzenie może być używane do testowania wielu konstrukcji naczyń próżniowych.
Reaktory termojądrowe działają poprzez super ogrzewanie gazu wodorowego w próżni, stopienie atomów wodoru tworzy Hel. Podobnie jak w przypadku rozszczepienia atomów w dzisiejszych reaktorach jądrowych, synteza jądrowa uwalnia energię. Wyzwaniem związanym z fuzją było ograniczenie plazmy (elektrycznie naładowanego gazu) podczas podgrzewania jej mikrofalami do temperatur gorętszych niż Słońce.
zrównoważona energia
wynikiem pomyślnej budowy reaktora łukowego byłoby obfite źródło czystej i niezawodnej energii, ponieważ potrzebne paliwo-izotopy wodoru-jest w nieograniczonej podaży na Ziemi.
” to, co zrobiliśmy, to ustanowienie podstaw naukowych…w rzeczywistości, pokazując, że istnieje realna ścieżka do przodu w nauce o przechowywaniu tej plazmy, aby wytworzyć energię syntezy jądrowej-w końcu”, powiedział Whyte.
badania nad syntezą termojądrową znajdują się dziś u progu badań nad „wypalaniem plazmy”, przez które ciepło z reakcji syntezy termojądrowej jest ograniczone w osoczu na tyle skutecznie, że reakcja ta może być utrzymywana przez długi czas.
spojrzenie na wygląd zewnętrzny urządzenia fuzji jądrowej C-Mod MIT. Projekt C-Mod utorował drogę do koncepcyjnego reaktora łukowego.
Zwykle gaz taki jak wodór składa się z obojętnych cząsteczek. Gdy jednak przegrzasz Gaz, elektrony oddzielają się od jąder tworząc zupę naładowanych cząstek grzechoczących z dużą prędkością. Pole magnetyczne może następnie wcisnąć naładowane cząstki w skondensowany kształt, zmuszając je do skondensowania.
40-letnia zagadka energii termojądrowej polega na tym, że nikt nie był w stanie stworzyć reaktora termojądrowego, który zużywa więcej energii, niż jest to wymagane do jego obsługi. Innymi słowy, aby utrzymać ciepło plazmy i generować energię termojądrową, potrzeba więcej mocy niż energia termojądrowa, którą wytwarza.
działający w Europie reaktor tokamak o nazwie JET, posiada światowy rekord w wytwarzaniu energii; wytwarza 16 MW energii termojądrowej, ale do działania potrzebuje 24 MW energii elektrycznej.
naukowcy z MIT uważają jednak, że mają odpowiedź na problem zasilania netto i będzie on dostępny w stosunkowo małym pakiecie w porównaniu do dzisiejszych elektrowni jądrowych rozszczepienia. Dzięki zmniejszeniu reaktora, jest on również tańszy w budowie. Dodatkowo łuk miał być modułowy, co pozwalało na demontaż wielu jego części w celu napraw i ulepszeń, czego wcześniej nie osiągnięto.
to, co odróżnia urządzenie fuzji MIT
to, co tylko MIT zrobił, to wytworzyć najsilniejsze na świecie pole magnetyczne dla reaktora jego wielkości. Im wyższe pole magnetyczne, tym większa reakcja termojądrowa i większa wytwarzana moc.
„jesteśmy bardzo pewni, że będziemy w stanie pokazać, że to medium może wytwarzać więcej energii termojądrowej niż potrzeba, aby utrzymać ją w gorącym stanie” – powiedział Whyte.
a cutaway view of the proposed ARC reactor. Dzięki nowej, potężnej technologii magnesów, znacznie mniejszy i tańszy reaktor łukowy zapewniłby taką samą moc wyjściową jak znacznie większy reaktor.
Reaktory termojądrowe mają kilka zalet w stosunku do dzisiejszych reaktorów jądrowych rozszczepienia. Po pierwsze, Reaktory termojądrowe wytwarzałyby niewiele odpadów radioaktywnych. Reaktory termojądrowe wytwarzają tzw.” produkty aktywacji ” z neutronami termojądrowymi.
niewielka ilość produkowanych izotopów promieniotwórczych jest krótkotrwała, z okresem półtrwania trwającym dziesiątki lat w porównaniu z tysiącami lat od produktów rozszczepienia, powiedział Sorbom.
Reaktory zużywałyby również mniej energii do pracy niż Reaktory rozszczepienia.
podczas gdy obecny Alcator C-Mod MIT nie wytwarza elektryczności, demonstruje on wpływ pola magnetycznego na przegrzaną plazmę, a przez ciepło mówimy o 100 milionach stopni Fahrenheita. Dla porównania, nasze Słońce jest chłodne 27 milionów stopni Fahrenheita.
Plazma o 100 milionach stopni nie jest niebezpieczna, ale natychmiast ochładza się i wznawia stan gazowy, gdy dotyka wewnętrznych stron reaktora. Dlatego potrzebne jest silne pole magnetyczne.
podobnie jak reaktor jądrowy rozszczepienia, reaktor fuzyjny byłby zasadniczo silnikiem parowym. Ciepło z kontrolowanej reakcji termojądrowej jest wykorzystywane do obracania turbiny parowej, która z kolei napędza generatory elektryczne.
obecne urządzenie fuzyjne MIT C-Mod wykorzystuje obfite Deuter jako paliwo plazmowe. Deuter jest izotopem wodoru, który nie jest radioaktywny i może być ekstrahowany z wody morskiej.
aby stworzyć koncepcyjny reaktor łukowy, potrzebny jest jednak drugi izotop wodoru: trytu. To dlatego, że szybkość, z jaką izotopy deuteru-deuteru łączą się, jest około 200 razy mniejsza niż szybkość, z jaką izotopy deuteru-trytu łączą się.
trytu, choć radioaktywny, ma tylko okres półtrwania około 10 lat. Chociaż trytu nie występuje naturalnie, można go stworzyć poprzez bombardowanie litu neutronami. W rezultacie można go łatwo wyprodukować jako zrównoważone źródło paliwa.
z reaktorami termojądrowymi mniejsze jest lepsze
podczas gdy reaktor MIT może nie pasować wygodnie do klatki piersiowej Tony ’ ego Starka (w końcu jest to film), byłby to najmniejszy reaktor termojądrowy z najpotężniejszą komorą magnetyczną na ziemi. Wytworzyłoby moc ośmiu Tesli lub około dwóch maszyn MRI.
dla porównania, w południowej Francji, siedem narodów (w tym USA.) współpracowali przy budowie największego na świecie reaktora termojądrowego, Międzynarodowego eksperymentalnego reaktora termojądrowego (ITER) Tokamak. Komora termojądrowa ITER ma promień fuzji 6,5 metra, a jej magnesy nadprzewodzące wytworzyłyby 11,8 Tesli siły.
jednak reaktor ITER jest około dwa razy większy od łuku i waży 3400 ton-16 razy cięższy niż jakikolwiek wcześniej wyprodukowany statek fuzyjny. Reaktor w kształcie litery D będzie miał rozmiar od 11 do 17 metrów i promień plazmy tokamak 6,2 metra, prawie dwa razy większy niż promień łuku 3,3 metra.
koncepcja projektu ITER rozpoczęła się w 1985 roku, a budowa rozpoczęła się w 2013 roku. Jego cena szacowana jest na 14-20 miliardów dolarów. Whyte uważa jednak, że ITER będzie znacznie droższy, od 40 miliardów do 50 miliardów dolarów, opierając się na „fakcie, że wkład USA wynosi od 4 miliardów do 5 miliardów dolarów”, a my jesteśmy 9% partnerami.”
ponadto harmonogram ukończenia projektu ITER to 2020 r., a pełne eksperymenty z fuzją Deuter-trytu rozpoczną się w 2027 r.
Po zakończeniu budowy oczekuje się, że ITER będzie pierwszym reaktorem fuzyjnym, który wytworzy moc netto, ale ta moc nie będzie wytwarzać energii elektrycznej; po prostu przygotuje drogę dla reaktora, który może.
reaktor łukowy MIT ma kosztować od 4 do 5 miliardów dolarów i może zostać ukończony w ciągu czterech do pięciu lat, powiedział Sorbom.
powodem, dla którego ARC mógłby zostać ukończony wcześniej i przy jednej dziesiątej koszt ITER jest ze względu na jego rozmiar i zastosowanie nowych nadprzewodników wysokiego pola, które działają w wyższych temperaturach niż typowe nadprzewodniki.
zazwyczaj Reaktory termojądrowe wykorzystują niskotemperaturowe super Przewodniki jako Cewki Magnetyczne. Cewki muszą ochłodzić się do około 4 stopni Kelvina, czyli minus 452 stopni Fahrenheita, aby działać. Tokamak Fusion device mit wykorzystuje „wysokotemperaturową” nadprzewodzącą taśmę tlenku miedzi baru (REBCO) do swoich cewek magnetycznych, która jest znacznie tańsza i wydajniejsza. Oczywiście” wysoka temperatura ” jest względna: cewki REBCO pracują w temperaturze 100 stopni Kelvina, czyli około minus 280 stopni Fahrenheita, ale to jest wystarczająco ciepłe, aby użyć obfitego ciekłego azotu jako środka chłodzącego.
w lewej ręce Brandon Sorbom trzyma nadprzewodzącą taśmę z tlenku miedzi baru (REBCO), używaną w cewkach magnetycznych reaktora fuzyjnego. W prawej ręce znajduje się typowy miedziany kabel elektryczny. Zastosowanie nowej taśmy Super przewodzącej obniża koszty i umożliwia MIT stosowanie obfitego ciekłego azotu jako środka chłodzącego.
„Podczas gdy nadprzewodniki istnieją od końca lat 80. w laboratoriach, w ciągu ostatnich pięciu lat firmy komercjalizują te rzeczy na taśmy do dużych projektów, takich jak ten.”
oprócz rozmiaru i kosztów, taśma REBCO jest również w stanie zwiększyć moc termojądrową 10-krotnie w porównaniu ze standardową technologią nadprzewodzącą.
zanim jednak uda się zbudować łuk MIT, naukowcy muszą najpierw udowodnić, że są w stanie utrzymać reakcję fuzji. Obecnie reaktor C-Mod mit działa tylko kilka sekund za każdym razem, gdy jest odpalany. W rzeczywistości wymaga tak dużej mocy, że MIT musi użyć transformatora buforowego, aby zgromadzić wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby go uruchomić, bez konieczności opuszczania miasta Cambridge. Przy promieniu plazmy wynoszącym zaledwie 0,68 metra, C-Mod jest znacznie mniejszy niż reaktor łukowy
, więc zanim zbuduje reaktor łukowy, następne urządzenie mit-Advanced Divertor i RF tokamak eXperiment (ADX) – przetestuje różne środki, aby skutecznie radzić sobie z temperaturami podobnymi do Słońca bez obniżania wydajności plazmy.
Po osiągnięciu zrównoważonych wyników, ARC określi, czy możliwe jest wytwarzanie energii netto. Ostatnią przeszkodą przed reaktorami termojądrowymi jest przekazywanie ciepła do generatora.
federalni zmniejszyli finansowanie
Reaktor Tokamak C-Mod MIT jest jednym z trzech głównych obiektów badawczych w USA, wraz z DIII-D W General Atomics i National sferyczny Torus Experiment Upgrade (Nstx-U) w laboratorium fizyki plazmy w Princeton.
badacz pracuje wewnątrz eksperymentalnego reaktora termojądrowego Wendelstein 7-X (W7-X) zbudowanego w Greifswaldzie w Niemczech przez Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). Reaktor, ukończony w październiku 2015 r., jest największym do tej pory.
na początku tego roku MIT dowiedział się, że finansowanie jego reaktora termojądrowego w ramach Departamentu Energii (Doe) dobiega końca. Decyzja o zamknięciu Alcatora C-Mod była spowodowana ograniczeniami budżetowymi, według Edmunda Synakowskiego, associate director of science for Fusion Energy Sciences (FES) w DOE.
w obecnym budżecie Kongres przeznaczył 18 milionów dolarów na C-Mod MIT, który wesprze co najmniej pięć tygodni działalności w ostatnim roku i pokryje koszty związane z zamknięciem obiektu, powiedział Synakowski w odpowiedzi na e-mail do Computerworld. (Naukowcy mają nadzieję znaleźć inne źródła finansowania, aby nadrobić straty.)
PSFC ma około 50 Ph.D studenci pracujący nad rozwojem energii termojądrowej. Dawni studenci opuścili MIT, aby założyć własne firmy lub podjąć rozwój projektów akademickich poza MIT.
upewnienie się, że naukowcy i studenci MIT mogą przejść do współpracy w innych finansowanych przez DOE ośrodkach badawczych energii syntezy jądrowej w USA-zwłaszcza dwóch podstawowych obiektów: DIII-D W General Atomics w San Diego i NSTX-U w Princeton Plasma Physics Laboratory-było „jednym z głównych problemów”, powiedział Synakowski.
w ciągu ostatniego roku podatkowego FES współpracowała z MIT, aby ustanowić nową pięcioletnią umowę o współpracy, począwszy od września. 1, 2015, aby umożliwić swoim naukowcom przejście do współpracy finansowanej przez FES.
Whyte uważa jednak, że obietnica energii termojądrowej jest zbyt ważna dla badań.
„Fuzja jest zbyt ważna, aby mieć tylko jedną drogę do niej” – powiedział Whyte. „Moje motto jest mniejsze i szybsze. Jeśli możemy, technologia, która pozwala nam uzyskać dostęp do mniejszych urządzeń i zbudować wiele z nich… to pozwala nam dotrzeć do miejsca, w którym mamy więcej możliwości rozwoju fuzji w krótszym czasie.”
i, jak powiedział Whyte, podstawy naukowe dla małych reaktorów fuzyjnych zostały ustalone w MIT.
„zrobiliśmy to pomimo faktu, że mamy najmniejszy z głównych eksperymentów na całym świecie. Mamy rekord w osiąganiu ciśnienia tej plazmy. Ciśnienie jest jednym z podstawowych barów, które musisz pokonać ” – powiedział Whyte. „Jesteśmy bardzo podekscytowani.”