under de senaste 20 åren har MIT: s Plasma Science and Fusion Center (PSFC) experimenterat med kärnfusion genom världens minsta tokamak-typ (munkformad) kärnfusionsanordning-Alcator C-Mod.
målet? Att producera världens minsta fusionsreaktor – en som krossar en munkformad fusionsreaktion i en 3,3 meters radie – varav tre kan driva en stad på storleken Boston.
och MIT-forskare kommer nära sitt mål, trots en ny minskning av federal finansiering som kan sakta ner deras framsteg.de lärdomar som redan lärt sig från MIT: s mindre Alcator C-Mod fusion-enhet har gjort det möjligt för forskare, inklusive MIT Ph.D-kandidat Brandon Sorbom och Psfc-direktör Dennis Whyte, att utveckla den konceptuella ARC-reaktorn (prisvärd, robust, kompakt).
”Vi ville producera något som kunde producera kraft, men vara så liten som möjligt”, sa Sorbom.
en fungerande BÅGFUSIONSREAKTOR skulle använda 50 megawatt (MW) kraft för att producera 500mW fusionskraft, varav 200mw kunde levereras till nätet. Det räcker för att ge 200 000 personer El.
en titt inuti MITS C-Mod, som bara är 0,68 meter i radie-den minsta fusionsreaktorn med det starkaste magnetfältet i världen.
medan tre andra fusionsenheter ungefär samma storlek som bågen har byggts under de senaste 35 åren, producerade de inte någonstans nära sin kraft. Det som skiljer MIT: s reaktor från varandra är dess superledarteknik, vilket skulle göra det möjligt att skapa 50 gånger den kraft som den faktiskt drar. (MIT: s PSFC förra året publicerade ett papper om prototypen ARC reactor i den peer reviewed tidskriften ScienceDirect.)
BÅGREAKTORNS kraftfulla magneter är modulära, vilket innebär att de lätt kan avlägsnas och det centrala vakuumkärlet där fusionsreaktionen inträffar kan bytas ut snabbt; förutom att tillåta uppgraderingar betyder ett avtagbart kärl att en enda enhet kan användas för att testa många vakuumkärlkonstruktioner.
fusionsreaktorer arbetar genom superuppvärmning av vätgas i vakuum, fusionen av väteatomer bildar helium. Precis som med splittring av atomer i dagens fissionskärnreaktorer, frigör fusion Energi. Utmaningen med fusion har begränsat plasma (elektriskt laddad gas) medan den värms upp med mikrovågor till temperaturer varmare än solen.
hållbar energi
resultatet av att framgångsrikt bygga en BÅGREAKTOR skulle vara en riklig källa till ren och pålitlig kraft, eftersom det nödvändiga bränslet-väteisotoper-är i obegränsad tillgång på jorden.
” vad vi har gjort är att fastställa den vetenskapliga grunden…för att faktiskt visa att det finns en livskraftig väg framåt i vetenskapen om inneslutningen av denna plasma för att göra nettofusionsenergi-så småningom”, sa Whyte.
fusionsforskning idag ligger vid tröskeln för att utforska” brinnande plasma”, genom vilken värmen från fusionsreaktionen begränsas i plasma effektivt nog för att reaktionen ska kunna upprätthållas under långa perioder.
en titt på utsidan av MITS C-Mod kärnfusionsanordning. C-Mod-projektet har banat väg för en konceptuell BÅGREAKTOR.
normalt består gas som väte av neutrala molekyler som studsar runt. När du överhettar en gas separerar elektronerna emellertid från kärnorna och skapar en soppa av laddade partiklar som skramlar runt i höga hastigheter. Ett magnetfält kan sedan pressa de laddade partiklarna i en kondenserad form och tvinga dem att smälta samman.
fusionskraftens 40-åriga konundrum är att ingen har kunnat skapa en fusionsreaktor som ger ut mer kraft än vad som krävs för att driva den. Med andra ord krävs mer kraft för att hålla plasman varm och generera fusionskraft än den fusionskraft den producerar.
Europas fungerande tokamakreaktor heter JET, innehar världens rekord för kraftskapande; det genererar 16mw fusionskraft men kräver 24mw el för att fungera.MITS forskare tror dock att de har svaret på nätkraftproblemet och det kommer att finnas tillgängligt i ett relativt litet paket jämfört med dagens kärnklyvningskraftverk. Genom att göra reaktorn mindre gör den det också billigare att bygga. Dessutom skulle bågen vara modulär, så att dess många delar kan tas bort för reparationer till uppgraderingar, något som inte tidigare uppnåtts.
Vad sätter MITS fusionsenhet ifrån varandra
vad MIT ensam har gjort är att skapa världens starkaste magnetiska inneslutningsfält för en reaktor dess storlek. Ju högre magnetfältet desto större fusionsreaktion och desto större kraft produceras.
”Vi är mycket övertygade om att vi kommer att kunna visa att detta medium kan göra mer fusionskraft än vad som krävs för att hålla det varmt”, sa Whyte.
en genomskärning av den föreslagna BÅGREAKTORN. Tack vare den kraftfulla nya magnettekniken skulle den mycket mindre, billigare BÅGREAKTORN leverera samma effekt som en mycket större reaktor.
fusionsreaktorer skulle ha flera fördelar jämfört med dagens kärnreaktorer. För en skulle fusionsreaktorer producera lite radioaktivt avfall. Fusionsreaktorer producerar vad som kallas” aktiveringsprodukter ” med fusionsneutronerna.
den lilla mängden radioaktiva isotoper som produceras är kortlivade, med en halveringstid som varar tiotals år mot tusentals år från fissionsavfallsprodukter, sa Sorbom.
reaktorerna skulle också använda mindre energi för att fungera än fissionsreaktorer.
medan MIT: s nuvarande Alcator C-Mod inte producerar någon elektricitet, visar det effekterna av ett magnetiskt inneslutningsfält på superuppvärmd plasma, och med hot talar vi om 100 miljoner grader Fahrenheit. Som jämförelse är vår sol en kylig 27 miljoner grader Fahrenheit.
långt ifrån farligt kyler 100 miljoner graders plasma omedelbart och återupptar ett gasformigt tillstånd när det rör reaktorns inre sidor. Därför behövs ett kraftfullt magnetiskt inneslutningsfält.
precis som en fissionskärnreaktor skulle en fusionsreaktor i huvudsak vara en ångmotor. Värmen från den kontrollerade fusionsreaktionen används för att vrida en ångturbin som i sin tur driver elektriska generatorer.
MITS nuvarande C-Mod-fusionsenhet använder rikligt med deuterium som sitt plasmabränsle. Deuterium är en väteisotop som inte är radioaktiv och kan extraheras från havsvatten.
för att skapa en konceptuell BÅGREAKTOR behövs emellertid en andra väteisotop: tritium. Det beror på att den hastighet med vilken Deuterium-deuteriumisotoper smälter är cirka 200 gånger mindre än den hastighet med vilken Deuterium-tritiumisotoper smälter.
Tritium, medan radioaktivt, har bara en halveringstid på cirka 10 år. Även om tritium inte förekommer naturligt kan det skapas genom att bombardera litium med neutroner. Som ett resultat kan det enkelt produceras som en hållbar bränslekälla.
med fusionsreaktorer är mindre bättre
medan MIT: s reaktor kanske inte passar bekvämt i Tony Starks bröstkorg (det är en film trots allt), skulle det vara den minsta fusionsreaktorn med den mest kraftfulla magnetiska inneslutningskammaren på jorden. Det skulle producera kraften hos åtta Teslas eller cirka två MR-maskiner.
Som jämförelse, i södra Frankrike, sju nationer (inklusive USA. har samarbetat för att bygga världens största fusionsreaktor, den internationella termonukleära experimentella reaktorn (ITER) Tokamak. ITER-fusionskammaren har en fusionsradie på 6, 5 meter och dess superledande magneter skulle producera 11, 8 Teslas kraft.
ITER-reaktorn är dock ungefär dubbelt så stor som ARC och väger 3 400 ton-16 gånger så tung som något tidigare tillverkat fusionskärl. Den D-formade reaktorn kommer att vara mellan 11 meter och 17 meter stor och ha en tokamak-plasmaradie på 6, 2 meter, nästan dubbelt så stor som bågens 3, 3 meter radie.
konceptet för Iter-projektet började 1985 och byggandet började 2013. Den har en uppskattad prislapp på mellan $14 miljarder och $20 miljarder. Whyte tror dock att ITER kommer att bli mycket dyrare ,$ 40 miljarder till $50 miljarder, baserat på ”det faktum att USA: s bidrag” är $4 miljarder till $5 miljarder ”och vi är 9% partners.”
dessutom är ITER: s tidtabell för slutförande 2020, med fullständiga Deuterium-tritium-fusionsexperiment som börjar 2027.
När den är klar förväntas ITER vara den första fusionsreaktorn som genererar nettoeffekt, men den kraften kommer inte att producera el; det kommer helt enkelt att förbereda vägen för en reaktor som kan.
MITS BÅGREAKTOR beräknas kosta $4 miljarder till $5 miljarder dollar och kan slutföras på fyra till fem år, sa Sorbom.
anledningen till att bågen kunde slutföras tidigare och vid en tiondel beror kostnaden för Iter på dess storlek och användningen av de nya högfälts superledarna som arbetar vid högre temperaturer än typiska superledare.
vanligtvis använder fusionsreaktorer superledare med låg temperatur som magnetiska spolar. Spolarna måste kylas till ca 4 grader Kelvin, eller minus 452 grader Fahrenheit, för att fungera. MIT: s tokamak fusion-enhet använder en” högtemperatur ” sällsynt jordartsbarium kopparoxid (REBCO) superledande tejp för sina magnetiska spolar, vilket är mycket billigare och effektivt. Naturligtvis är” hög temperatur ” relativ: REBCO-spolarna arbetar vid 100 grader Kelvin, eller ungefär minus 280 grader Fahrenheit, men det är tillräckligt varmt för att använda rikligt flytande kväve som kylmedel.
i sin vänstra hand har Brandon Sorbom en superledande tejp av sällsynt jordartsmetaller barium kopparoxid (REBCO) som används i fusionsreaktorns magnetiska spolar. I sin högra hand är en typisk koppar elektrisk kabel. Användningen av den nya superledande tejpen sänker kostnaderna och gör det möjligt för MIT att använda rikligt flytande kväve som kylmedel.
” den möjliggörande tekniken för att kunna krympa fusionsenhetens storlek är denna nya superledande teknik”, sa Sorbom. ”Medan superledarna har funnits sedan slutet av 1980-talet i laboratorier, har företag under de senaste fem åren kommersialiserat dessa saker i band för storskaliga projekt som detta.”
förutom storlek och kostnad kan REBCO-tejp också öka fusionskraften 10 gånger jämfört med standard superledande teknik.
innan MIT: s båge kan byggas måste forskare först bevisa att de kan upprätthålla en fusionsreaktion. För närvarande körs MITS C-Mod-reaktor bara några sekunder varje gång den avfyras. Faktum är att det kräver så mycket kraft att MIT måste använda en bufferttransformator för att lagra tillräckligt med el för att köra den utan att bruna ut staden Cambridge. Och med en plasmaradie på bara 0,68 meter är C-Mod mycket mindre än till och med BÅGREAKTORN skulle
så innan den bygger BÅGREAKTORN, kommer MIT: s nästa fusionsanordning-Advanced Divertor och RF tokamak eXperiment (ADX) – att testa olika sätt att effektivt hantera de solliknande temperaturerna utan att försämra plasmaprestandan.
Efter att ha uppnått hållbar prestanda kommer ARC att avgöra om nätproduktion är möjlig. Det sista hindret innan fusionsreaktorer kan leverera ström till nätet överför värmen till en generator.
Feds cut funding
MIT: s c-Mod tokamak-reaktor är en av de tre stora fusionsforskningsanläggningarna i USA, tillsammans med DIII-D vid General Atomics och National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) vid Princeton Plasma Physics Laboratory.
en forskare arbetar inne i Wendelstein 7-X (W7-X) en experimentell kärnfusionsreaktor byggd i Greifswald, Tyskland, av Max-Planck-Institut f askorbr Plasmaphysik (IPP). Reaktorn, färdigställd i oktober 2015, är den största hittills.
kasta en skiftnyckel i sina ansträngningar, mit lärde sig tidigare i år att finansieringen för sin fusionsreaktor under Department of Energy (DOE) kommer till ett slut. Beslutet att stänga av Alcator C-Mod drevs av budgetbegränsningar, enligt Edmund Synakowski, biträdande direktör för vetenskap för Fusionsenergivetenskap (FES) vid DOE.
i den nuvarande budgeten har kongressen tillhandahållit $ 18 miljoner för MIT: s C-Mod, som kommer att stödja minst fem veckors verksamhet under sitt sista år och täcka kostnaderna för avstängningen av anläggningen, sade Synakowski i ett e-postsvar till Computerworld. (Forskare hoppas hitta andra finansieringskällor för att kompensera för förlusten.)
PSFC har cirka 50 Ph.D studenter som arbetar för att utveckla fusionsenergi. Tidigare studenter har lämnat MIT för att starta egna företag eller utveckla akademiska projekt utanför MIT.att se till att forskare och studenter vid MIT kan övergå till samarbeten vid andra doe-finansierade fusionsenergiforskningsanläggningar i USA-särskilt de två primära anläggningarna: DIII-D vid General Atomics i San Diego och NSTX-U vid Princeton Plasma Physics Laboratory-har varit ”en av de största problemen”, sade Synakowski.
under det senaste räkenskapsåret arbetade FES med MIT för att upprätta ett nytt femårigt samarbetsavtal som började på September. 1, 2015, för att göra det möjligt för sina forskare att övergå till Fes-finansierade samarbeten.
Whyte anser dock att löftet om fusionsenergi är för viktigt för att forskningen ska kunna avvecklas.
”Fusion är för viktigt för att bara ha en väg till det”, sa Whyte. ”Mitt motto är mindre och tidigare. Om vi kan tekniken som gör att vi kan komma åt mindre enheter och bygga en mängd av dem…, då tillåter vi oss att komma till en plats där vi har fler alternativ på bordet för att utveckla fusion på en snabbare tidsskala.”
och, Whyte sa, den vetenskapliga grunden för små fusionsreaktorer har fastställts vid MIT.
” Vi gjorde det trots att vi har de minsta av de stora experimenten runt om i världen. Vi har faktiskt rekordet för att uppnå tryck av denna plasma. Tryck är en av de grundläggande staplarna du måste komma över,” sa Whyte. ”Vi är väldigt glada över det här.”