în ultimii 20 de ani, Centrul de științe și fuziune cu plasmă (PSFC) al MIT a experimentat fuziunea nucleară prin cel mai mic dispozitiv de fuziune nucleară de tip tokamak (în formă de gogoașă) din lume-Alcator c-Mod.
scopul? Pentru a produce cel mai mic reactor de fuziune din lume-unul care zdrobește o reacție de fuziune în formă de gogoașă într-o rază de 3,3 metri-dintre care trei ar putea alimenta un oraș de mărimea Bostonului.
și cercetătorii MIT se apropie de obiectivul lor, în ciuda unei reduceri recente a finanțării federale care le-ar putea încetini progresul.
lecțiile învățate deja de la dispozitivul de fuziune Alcator c-Mod mai mic al MIT au permis cercetătorilor, inclusiv candidatului la doctorat mit Brandon Sorbom și directorului PSFC Dennis Whyte, să dezvolte reactorul conceptual ARC (accesibil, robust, compact).”am vrut să producem ceva care ar putea produce energie, dar să fie cât mai mic posibil”, a spus Sorbom.
un reactor de fuziune cu ARC de lucru ar folosi 50 megawați (MW) de energie pentru a produce 500 MW de energie de fuziune, din care 200 MW ar putea fi livrate la rețea. Asta e suficient pentru a oferi 200.000 de oameni cu energie electrică.
O privire în interiorul MIT C-Mod, care are doar 0,68 metri în rază-cel mai mic reactor de fuziune cu cel mai puternic câmp magnetic din lume.
în timp ce alte trei dispozitive de fuziune aproximativ de aceeași dimensiune ca arcul au fost construite în ultimii 35 de ani, acestea nu au produs nicăieri în apropierea puterii sale. Ceea ce diferențiază reactorul MIT este tehnologia superconductorului, care i-ar permite să creeze de 50 de ori puterea pe care o atrage de fapt. (PSFC de la MIT a publicat anul trecut o lucrare despre prototipul ARC reactor în revista ScienceDirect revizuită de colegi.magneții puternici ai reactorului cu ARC sunt modulari, ceea ce înseamnă că pot fi îndepărtați cu ușurință și vasul central de vid în care are loc reacția de fuziune poate fi înlocuit rapid; pe lângă faptul că permite upgrade-uri, un vas detașabil înseamnă că un singur dispozitiv ar putea fi folosit pentru a testa multe modele de vase de vid.
reactoarele de fuziune funcționează prin încălzirea hidrogenului gazos în vid, fuziunea atomilor de hidrogen formând heliu. La fel ca în cazul divizării atomilor în reactoarele nucleare de fisiune de astăzi, fuziunea eliberează energie. Provocarea cu fuziunea a fost limitarea plasmei (gazul încărcat electric) în timp ce îl încălzește cu microunde la temperaturi mai calde decât Soarele.
energie durabilă
rezultatul construirii cu succes a unui reactor cu ARC ar fi o sursă abundentă de energie curată și fiabilă, deoarece combustibilul necesar-izotopii hidrogenului-este în aprovizionare nelimitată pe Pământ.
„ceea ce am făcut este să stabilim baza științifică…de fapt, arătând că există o cale viabilă înainte în știința izolării acestei plasme pentru a produce energie netă de fuziune-în cele din urmă”, a spus Whyte.
cercetarea fuziunii este astăzi la pragul explorării „plasmei arzătoare”, prin care căldura din reacția de fuziune este limitată în plasmă suficient de eficient pentru ca reacția să fie susținută pentru perioade lungi de timp.
o privire la exteriorul dispozitivului de fuziune nucleară C-Mod al MIT. Proiectul C-Mod a deschis calea pentru un reactor cu arc conceptual.
în mod normal, gazul, cum ar fi hidrogenul, este alcătuit din molecule neutre care se învârt în jur. Cu toate acestea, atunci când supraîncălziți un gaz, electronii se separă de nuclee, creând o supă de particule încărcate care zăngănesc la viteze mari. Un câmp magnetic poate apoi să apese acele particule încărcate într-o formă condensată, forțându-le să se topească împreună.
enigma de 40 de ani a energiei de fuziune este că nimeni nu a fost capabil să creeze un reactor de fuziune care să scoată mai multă energie decât este necesar pentru a-l Opera. Cu alte cuvinte, este necesară mai multă putere pentru a menține plasma fierbinte și a genera energie de fuziune decât puterea de fuziune pe care o produce.reactorul tokamak din Europa, numit JET, deține recordul mondial pentru crearea de energie; generează 16 MW de energie de fuziune, dar necesită 24 MW de energie electrică pentru a funcționa.cu toate acestea, cercetătorii MIT cred că au Răspunsul la problema energiei nete și va fi disponibilă într-un pachet relativ mic în comparație cu centralele electrice de fisiune nucleară de astăzi. Făcând reactorul mai mic, îl face și mai puțin costisitor de construit. În plus, arcul ar fi modular, permițând eliminarea numeroaselor sale părți pentru reparații la upgrade-uri, lucru care nu a fost realizat anterior.
ce diferențiază dispozitivul de fuziune MIT
ce a făcut MIT singur este să creeze cel mai puternic câmp magnetic de izolare din lume pentru un reactor de dimensiunea sa. Cu cât câmpul magnetic este mai mare, cu atât este mai mare reacția de fuziune și cu atât este mai mare puterea produsă.”suntem foarte încrezători că vom putea arăta că acest mediu poate produce mai multă putere de fuziune decât este nevoie pentru a-l menține fierbinte”, a spus Whyte.
o vedere decupată a reactorului cu ARC propus. Datorită noii tehnologii puternice a magnetului, reactorul cu ARC mult mai mic și mai puțin costisitor ar furniza aceeași putere ca un reactor mult mai mare.
reactoarele de fuziune ar avea mai multe avantaje față de reactoarele nucleare de fisiune de astăzi. În primul rând, reactoarele de fuziune ar produce puține deșeuri radioactive. Reactoarele de fuziune Produc ceea ce se numesc „produse de activare” cu neutronii de fuziune.cantitatea mică de izotopi radioactivi produși este de scurtă durată, cu un timp de înjumătățire care durează zeci de ani față de mii de ani din deșeurile de fisiune, a spus Sorbom.
reactoarele ar folosi, de asemenea, mai puțină energie pentru a funcționa decât reactoarele de fisiune.
în timp ce actualul Alcator C-Mod al MIT nu produce electricitate, acesta demonstrează efectele unui câmp magnetic de izolare asupra plasmei super-încălzite, iar prin cald vorbim despre 100 de milioane de grade Fahrenheit. Prin comparație, Soarele nostru este un frig 27 milioane de grade Fahrenheit.departe de a fi periculoasă, plasma de 100 de milioane de grade se răcește instantaneu și reia o stare gazoasă atunci când atinge părțile interioare ale reactorului. De aceea este nevoie de un câmp magnetic puternic de izolare.la fel ca un reactor nuclear de fisiune, un reactor de fuziune ar fi în esență un motor cu aburi. Căldura din reacția de fuziune controlată este utilizată pentru a transforma o turbină cu abur care, la rândul său, conduce generatoare electrice.
dispozitivul actual de fuziune C-Mod al MIT folosește deuteriu abundent ca combustibil plasmatic. Deuteriul este un izotop de hidrogen care nu este radioactiv și poate fi extras din apa de mare.
cu toate acestea, pentru a crea un reactor cu arc conceptual, este nevoie de un al doilea izotop de hidrogen: tritiu. Asta pentru că rata la care fuzionează izotopii deuteriu-deuteriu este de aproximativ 200 de ori mai mică decât rata la care fuzionează izotopii deuteriu-tritiu.
tritiul, deși radioactiv, are doar un timp de înjumătățire de aproximativ 10 ani. Deși tritiul nu apare în mod natural, acesta poate fi creat prin bombardarea litiului cu neutroni. Drept urmare, poate fi produs cu ușurință ca sursă durabilă de combustibil.
cu reactoarele de fuziune, mai mici sunt mai bune
în timp ce reactorul MIT s-ar putea să nu se potrivească convenabil în pieptul lui Tony Stark (acesta este un film până la urmă), ar fi cel mai mic reactor de fuziune cu cea mai puternică cameră de izolare magnetică de pe pământ. Ar produce puterea a opt Teslas sau aproximativ două mașini RMN.
prin comparație, în sudul Franței, șapte națiuni (inclusiv SUA.) au colaborat pentru a construi cel mai mare reactor de fuziune din lume, reactorul experimental termonuclear internațional (ITER) Tokamak. Camera de fuziune ITER are o rază de fuziune de 6,5 metri, iar magneții săi supraconductori ar produce 11,8 Teslas de forță.
cu toate acestea, reactorul ITER are aproximativ de două ori dimensiunea arcului și cântărește 3.400 de tone-de 16 ori mai greu decât orice vas de fuziune fabricat anterior. Reactorul în formă de D va avea o dimensiune cuprinsă între 11 și 17 metri și va avea o rază de plasmă tokamak de 6,2 metri, aproape de două ori raza de 3,3 metri a arcului.
conceptul pentru proiectul ITER a început în 1985, iar construcția a început în 2013. Are un preț estimat între 14 și 20 de miliarde de dolari. Cu toate acestea, Whyte crede că ITER va ajunge să fie mult mai scump, între 40 și 50 de miliarde de dolari, pe baza „faptului că contribuția SUA” este de 4 până la 5 miliarde de dolari, „și suntem 9% parteneri.”în plus, programul ITER pentru finalizare este 2020, cu experimente complete de fuziune deuteriu-tritiu începând cu 2027.
când este finalizat, ITER este de așteptat să fie primul reactor de fuziune care generează energie netă, dar acea putere nu va produce electricitate; va pregăti pur și simplu calea pentru un reactor care poate.reactorul ARC al MIT este proiectat să coste între 4 și 5 miliarde de dolari și ar putea fi finalizat în patru până la cinci ani, a spus Sorbom.
motivul pentru care arcul ar putea fi finalizat mai devreme și la o zecime din costul ITER se datorează dimensiunii sale și utilizării noilor supraconductori de câmp înalt care funcționează la temperaturi mai ridicate decât supraconductorii tipici.
de obicei, reactoarele de fuziune folosesc super conductori de temperatură scăzută ca bobine magnetice. Bobinele trebuie răcite la aproximativ 4 grade Kelvin, sau minus 452 grade Fahrenheit, pentru a funcționa. Dispozitivul de fuziune tokamak al MIT folosește o bandă supraconductoare de oxid de cupru de bariu (REBCO)” la temperatură ridicată ” pentru bobinele sale magnetice, care este mult mai puțin costisitoare și mai eficientă. Desigur,” temperatura ridicată ” este relativă: bobinele REBCO funcționează la 100 de grade Kelvin sau aproximativ minus 280 de grade Fahrenheit, dar este suficient de cald pentru a utiliza azot lichid abundent ca agent de răcire.
în mâna stângă, Brandon Sorbom deține o bandă superconductoare de oxid de cupru de bariu din pământuri rare (REBCO) utilizată în bobinele magnetice ale reactorului de fuziune. În mâna dreaptă este un cablu electric tipic din cupru. Utilizarea noii benzi super conductoare reduce costurile și permite MIT să utilizeze azot lichid abundent ca agent de răcire.
„Tehnologia care permite reducerea dimensiunii dispozitivului de fuziune este această nouă tehnologie supraconductoare”, a spus Sorbom. „În timp ce supraconductorii au existat de la sfârșitul anilor 1980 în laboratoare, în ultimii cinci ani companiile au comercializat aceste lucruri în casete pentru proiecte la scară largă ca acesta.”
În plus față de dimensiune și Costuri, banda REBCO este, de asemenea, capabilă să crească puterea de fuziune de 10 ori în comparație cu tehnologia supraconductoare standard.cu toate acestea, înainte ca arcul MIT să poată fi construit, cercetătorii trebuie să demonstreze mai întâi că pot susține o reacție de fuziune. În prezent, reactorul C-Mod al MIT funcționează doar câteva secunde de fiecare dată când este pornit. De fapt, este nevoie de atât de multă putere, încât MIT trebuie să folosească un transformator tampon pentru a stoca suficientă energie electrică pentru a-l rula fără a rumeni orașul Cambridge. Și, cu o rază de plasmă de doar 0,68 metri, C-Mod are este mult mai mică decât chiar reactorul cu ARC ar
deci, înainte de a construi reactorul cu ARC, următorul dispozitiv de fuziune al MIT-Advanced Divertor și RF tokamak eXperiment (ADX) – va testa diferite mijloace pentru a gestiona eficient temperaturile asemănătoare soarelui fără a degrada performanța plasmei.
după atingerea performanței durabile, arcul va determina dacă este posibilă generarea netă de energie. Ultimul obstacol înainte ca reactoarele de fuziune să poată furniza energie rețelei este transferul căldurii către un generator.
federalii au redus finanțarea
reactorul c-mod tokamak al MIT este una dintre cele trei facilități majore de cercetare a fuziunii din SUA, împreună cu DIII-D la General Atomics și National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) la laboratorul de fizică a plasmei Princeton.
un cercetător lucrează în interiorul Wendelstein 7-X (W7-X) un reactor experimental de fuziune nucleară construit în Greifswald, Germania, de către Max-Planck-Institut f plasmaphysik (IPP). Reactorul, finalizat în octombrie 2015, este cel mai mare până în prezent.
aruncând o cheie în eforturile sale, MIT a aflat la începutul acestui an că finanțarea reactorului său de fuziune în cadrul Departamentului Energiei (DOE) se apropie de sfârșit. Decizia de a închide Alcator c-Mod a fost determinată de constrângerile bugetare, potrivit Edmund Synakowski, director asociat al științei pentru științele energiei de fuziune (FES) la DOE.în bugetul actual, Congresul a oferit 18 milioane de dolari pentru C-Mod de la MIT, care va susține cel puțin cinci săptămâni de operațiuni în ultimul său an și va acoperi costurile asociate cu închiderea instalației, a spus Synakowski într-un e-mail răspuns la Computerworld. (Cercetătorii speră să găsească alte surse de finanțare pentru a compensa pierderea.)
PSFC are aproximativ 50 Ph.D elevii care lucrează pentru a dezvolta energia de fuziune. Studenții din trecut au părăsit MIT pentru a-și începe propriile companii sau pentru a dezvolta proiecte academice în afara MIT.
asigurarea faptului că oamenii de știință și studenții de la MIT pot trece în colaborări la alte facilități de cercetare a energiei de fuziune finanțate de DOE din SUA-în special cele două facilități principale: DIII-D la General Atomics din San Diego și NSTX-U la laboratorul de fizică a plasmei Princeton-a fost „una dintre preocupările majore”, a spus Synakowski.
în ultimul an fiscal, FES a lucrat cu MIT pentru a stabili un nou Acord de cooperare de cinci ani, începând cu septembrie. 1, 2015, pentru a permite oamenilor de știință să treacă la colaborări finanțate de FES.cu toate acestea, Whyte consideră că promisiunea energiei de fuziune este prea importantă pentru ca cercetarea să se încheie.”fuziunea este prea importantă pentru a avea o singură cale spre ea”, a spus Whyte. „Motto-ul meu este mai mic și mai devreme. Dacă putem tehnologia care ne permite să accesăm dispozitive mai mici și să construim o varietate de ele…, atunci acest lucru ne permite să ajungem într-un loc în care avem mai multe opțiuni pe masă pentru a dezvolta fuziunea într-un interval de timp mai rapid.”
și, a spus Whyte, baza științifică pentru reactoarele de fuziune mici a fost stabilită la MIT.
„am făcut asta în ciuda faptului că avem cel mai mic dintre experimentele majore din întreaga lume. Avem de fapt recordul pentru atingerea presiunii acestei plasme. Presiunea este una dintre barele fundamentale pe care trebuie să le treci”, a spus Whyte. „Suntem foarte încântați de acest lucru.”