Fusionsforskere støtter push for pilotkraftværk i USA

Den voksende følelse af at det haster med udvikling af fusionsteknologi til energiproduktion i USA fik endnu et løft i denne uge med udgivelsen af ​​en samfundskonsensusrapport fra en forskelligartet gruppe forskere fra den akademiske verden, offentlige laboratorier, og industri. Højt blandt dens anbefalinger er udvikling af et pilotfusionskraftværk, et ambitiøst mål, der ville være et vigtigt skridt mod en amerikansk fusionsenergiindustri.

Rapporten – den første af sin slags i næsten 20 år og produktet af en ny 15-måneders samarbejdsproces – identificerer højt prioriterede videnskabelige behov, der kan hjælpe med at udfylde huller i fusionsviden og lette drivkraften til at gøre fusion til en praktisk energikilde. Det vil blive brugt af U.S. Department of Energy's Fusion Energy Sciences Advisory Committee (FESAC), da det påtager sig en ny fase af strategisk planlægning af sit Fusion Energy Sciences -program, den primære amerikanske kilde til finansiering af fusionsforskning.

Hvis det lykkes, Fusion ville fundamentalt ændre verdens energinet ved at tilbyde sikker, rigelig, kulstoffri elproduktion.

Omkring 300 medlemmer af fusionssamfundet nåede frem til deres konsensus under tre store workshopmøder og hundredvis af online arbejdsgruppesessioner, ved hjælp af en anonym stemmeproces, der gav alle deltagere mulighed for at udtrykke sig frit. De vigtigste energirelaterede prioriteter inkluderer:

• udvikling af et fælles neutronkildeanlæg, der kan bruges til udvikling af kritiske materialer og kraftværksdesign;
• fortsat opdyrkning af brændende plasmafysikviden gennem løbende deltagelse i det internationale ITER-program og udvidet offentlig-privat samarbejde i USA; og
• Umiddelbart præ-konceptuelt design af en ny amerikansk tokamak-facilitet, som ville begynde i drift ved udgangen af ​​årtiet og støtte arbejdet med udvinding af strøm fra udstødningsvarme og plasmavedligeholdelse.

Flere "muligheder og forskningsbehov", der er bredt anvendelige på tværs af fusions- og plasmafelterne, blev også identificeret:brug af avancerede computingsteknologier til bedre forståelse og modellering; udvikling af forbedret plasmadiagnostik; øget støtte til offentlig-private partnerskaber; og omfavne mangfoldighed, egenkapital, og inklusion, sammen med udvikling af en mere tværfaglig arbejdsstyrke.

"Dette er første gang i en generation, hvor fusionssamfundet er blevet opfordret til selv at organisere sig og finde ud af sine højeste prioriteter for at komme fra fusionsvidenskab til fusionsenergi, siger Bob Mumgaard, administrerende direktør for MIT spinout Commonwealth Fusion Systems (CFS), en af ​​et stigende antal private virksomheder, der stræber efter fusion. "Hvordan kan vi blive klar, med data, erfaring, testfaciliteter - de ting, der er nødvendige for at understøtte videnskaben, og til sidst en industri.

"The National Academies of Science (NAS) udsendte en god rapport [i slutningen af ​​2018], der sagde, at vi skulle være dristige og lave fusion nu og skabe testfaciliteter, " tilføjer Mumgaard. "Men det her er anderledes, fordi det er hele samfundet, mødes i en meget gennemsigtig græsrodsbestræbelse for at besvare spørgsmål om, hvad vi laver, hvad der skal gøres, og hvad vi er villige til ikke at gøre. Det blev ikke gjort i et baglokale, men af ​​videnskabsmænd selv, og de kom ud med en plan og prioriteter - det er lidt fedt."

Nathan Howard, en forsker ved MIT's Plasma Science and Fusion Center, var en af ​​syv medformænd, der delte udviklingstilsyn med rapporten, som vil blive brugt til at udvikle langsigtede strategiske planer for fusionsvidenskabelige programmer som reaktion på en FESAC-anmodning udstedt i november 2018.

"The American Physical Society Division of Plasma Physics tog teten og samlede os syv for at indsamle data fra samfundet, " forklarer Howard. Ud over fusionsenergi, indsatsen genererede også omfattende anbefalinger til Discovery Plasma Science, et mangfoldigt felt af mere grundlæggende forskning med indvirkning inden for astrofysik, høj energitæthed plasmafysik, og andre discipliner.

En vigtig udvikling undervejs var skabelsen af ​​dybere forbindelser mellem gruppen med fokus på magnetisk indeslutningsfusion og den, der fokuserede på fusionsrelaterede materialer og teknologier.

"Det gav virkelig ikke mening for dem at være adskilt, ", bemærker Howard. "Sammenlægningen skete naturligt under processen og var delvist motiveret af NAS-brændingsplasmarapporten, som sagde, at USA skulle fortsætte med at bygge et fusionspilotanlæg, en reaktor, der vil demonstrere skabelse af elektricitet fra fusion og et lukket fusionsbrændselskredsløb. Fusionssamfundet vedtog opførelsen af ​​et pilotanlæg som sin mission under processen"

Selvom yderligere plasmaforskning er vigtig for at nå dette mål, tilføjer Howard, "samfundet erkendte temmelig klart, at vi har brug for mere vægt på fusionsmaterialer og teknologi. Der, hvor vi mangler mest i fremskridtene hen imod et kraftværk, er områder som design af tæppet [området omkring reaktoren, bruges til at opdrætte fusionsbrændstof] og fusionsrelevante materialer."

Mange af de udestående materialeproblemer gælder ikke kun for magnetisk indeslutningsfusion, herunder de tokamak-type reaktorer, der har fået mest udviklings opmærksomhed til dato, men også til inerti-indeslutning og andre tilgange, som giver forskellige muligheder og udfordringer.

Rapportens officielle modtager er et FESAC-underudvalg ledet af Troy Carter, professor i fysik ved University of California i Los Angeles og direktør for universitetets Basic Plasma Science Facility og Plasma Science and Technology Institute. Han roste Howard og de andre medformænd for at "arbejde utrolig hårdt for at organisere indsatsen og bringe så mange mennesker sammen. Rapporten er meget overbevisende, og hele samfundet skal have ros - dette er et eksempel for fremtidige gentagelser af processen og gør arbejdet for mit underudvalg meget lettere."

I særdeleshed, siger Carter, "junior medlemmer af samfundet steg virkelig op. Medformændene er for det meste junior- og midt-karrierefolk, og det er vigtigt, at det er deres plan, fordi tidsskalaen taget i betragtning, det er dem, der implementerer det. "

Carter bemærker, at mens han vidste, at konceptet med at køre aggressivt mod et pilotanlæg havde støtte, "Jeg var lidt overrasket over, hvor stærkt det blev omfavnet i processen. Det er ambitiøst, og det peger os i retning af at bruge innovation til at få fusionsenergi på nettet meget hurtigere. Der er stadig meget arbejde at gøre i kerneplasmafysik, men vi er også nødt til at arbejde med materialer og anden teknologi, som vi ikke gør nok indsats for nu. Det er forfriskende at se den brede opbakning til at skifte retning."

Carters gruppe vil nu inkorporere rapportens resultater i strategiske planer, der afspejler adskillige budgetscenarier, den har fået.

"Vi lægger det hele ud for at udnytte mulighederne i naturvidenskaben og skubbe mod målet om at realisere et pilotanlæg. Vi har fået rigtig god information om tiltag og vejledning om prioritering, " siger han. "Men mange af initiativerne er ikke på niveau med konceptuelt design, så vi bliver nødt til at gøre noget arbejde for at finde ud af, hvad de vil koste. Vi har projektledelseseksperter at arbejde med, og også folk fra den private side – vi har tre medlemmer tilknyttet private fusionsselskaber, og vil også inddrage andre eksterne synspunkter."

Den proces forventes at tage omkring otte måneder, siger Carter, med resultaterne indsendt til FESAC omkring årets udgang. Efter en afstemning, det ville blive FESAC's officielle rådgivning til Department of Energy. "Det er noget, mange mennesker i Kongressen er interesserede i, " bemærker Carter.

CFS's Mumgaard siger, at rapportens levering kan vise sig at blive et nøgleøjeblik for USA, med potentiale til at føre til en ny fusionspolitik, Kongressens handling for at støtte den begyndende fusionsindustri og forberede kraftværkslicens og regulering, og løbende finansiering, der ville give akademiske og nationale laboratorieledere tillid til at ansætte personale og bygge infrastruktur. "Det føles som om tingene går i den rigtige retning, " siger han. "Det videnskabelige samfund skal tale med én stemme, og det er den proces, der skaber den stemme."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.