Alcator C-mod bukker ud med en ny verdensrekord

På sin sidste dag i drift, Alcator C-Mod tokamak ved Massachusetts Institute of Technologys Plasma Science &Fusion Center satte en ny rekord for plasmatryk i en magnetisk indeslutningsanordning. Disse resultater hjælper med at validere højfeltstilgangen til fusionsenergi, hvilket kan føre til mindre, billigere fusionskraftværker.

Fusionsenergi kræver, at produktet af tre faktorer - et plasmas partikeltæthed, dens indespærringstid, og dets temperatur (det såkaldte "tredobbelte produkt") - overstiger en vis tærskelværdi. Over denne værdi, den energi, der frigives ved fusionsprocessen, overstiger den energi, der kræves for at holde reaktionen i gang.

Tryk, som er produktet af massefylde og temperatur, står for omkring to tredjedele af den udfordring. Fusionskrafttætheden stiger med kvadratet af trykket - så en fordobling af trykket fører til en firedobling i energiproduktionen. Og da økonomien ved fusionsenergi vil være domineret af kapitalomkostningerne, høje effekttætheder vil være afgørende.

C-Mod er en kompakt, højfelt tokamak, som har produceret et væld af nye og vigtige resultater, siden det startede driften i 1993, bidrager med data, der udvider test af kritiske fysiske modeller til nye parameterområder og nye regimer. Forskerholdet omfatter forskere, ingeniører, teknikere og studerende fra MIT og en lang række nationale og internationale samarbejdsinstitutioner. Dens unikke og rekordslående egenskaber kommer direkte fra den kraftfulde elektromagnet i hjertet af dens design.

I løbet af de 23 år Alcator C-Mod har været i drift, det har gentagne gange fremskreden rekorden for plasmatryk i en magnetisk indeslutningsanordning. Den tidligere værdi på 1,77 atmosfærer, sat til C-Mod i 2005, blev overskygget af den nye rekord på 2,05 atmosfærer (i andre enheder 2,1 Bar eller 0,21 MPa). Disse seneste værdier blev opnået ved at anvende over 4 megawatt radiofrekvensopvarmning, hæve temperaturen inde i C-Mod til over 35 millioner grader Celsius eller cirka dobbelt så varmt som midten af ​​solen. Maskinen blev betjent med en central magnetisk feltstyrke på 5,7 Tesla og 1,4 millioner ampere elektrisk strøm.

I disse nye eksperimenter, C-Mod-resultaterne oversteg det næsthøjeste tryk, opnået i andre enheder, med cirka 70 procent. Medmindre et nyt eksperiment annonceres og konstrueres, trykrekorden, der netop er sat i C-Mod, vil sandsynligvis stå i mindst de næste 15 år. ITER, en tokamak i øjeblikket under konstruktion i Frankrig, vil være cirka 800 gange større i plasmavolumen end C-Mod, men det vil fungere ved et lavere magnetfelt. ITER forventes at nå 2,6 atmosfærer, når den er i fuld drift i 2032, ifølge en nylig rapport fra det amerikanske energiministerium.

I 2012 DOE besluttede at stoppe finansieringen til C-Mod på grund af budgetpres fra konstruktionen af ​​ITER. Efter den beslutning, den amerikanske kongres genoprettede finansieringen til C-Mod for en treårig periode, som sluttede den 30. september.

Gennem hele sit liv, resultater fra C-Mod har direkte understøttet designbeslutninger og driftsplanlægning for ITER. På samme tid, de peger vejen mod en fusionsudviklingsvej, der ville være mere kompakt, højere feltenheder.

Som nævnt ovenfor, fusionskrafttætheden stiger med kvadratet af plasmatrykket, som igen skaleres som kvadratet af magnetfeltet. Således øges fusionskrafttætheden som den fjerde potens af magnetfeltet. Energiforstærkning skalerer med feltets tredje potens. Ud fra disse argumenter, det er klart, at de mest omkostningseffektive fusionsenheder vil fungere med de højeste felter, der kan konstrueres pålideligt. Ved flere tidligere lejligheder, hvor USA planlagde at bygge sine egne brændende plasmaenheder, for eksempel, den foreslåede CIT, BPX og FIRE enheder, argumentet mellem pris og ydeevne førte til kompakte højfeltsdesigns. Ser frem til og overvejer de betydelige omkostninger og den udvidede byggeplan for ITER, som blev designet med moderat felt superledende magnetteknologi, en udviklingsvej med et højere felt virker attraktiv.

Indtil for nylig, højfeltsmuligheden var kun åben for pulserede eksperimenter, da konventionelle niobiumbaserede superledere har kritiske strømme og felter, der ville begrænse fusionsmagneter med stort volumen til omkring 6 Tesla. Imidlertid, den industrielle modenhed af såkaldte højtemperatur-superledere (HTS) baseret på sjældne jordarters forbindelser som yttrium-barium-kobber-oxid (YBCO) er en game changer. Et fusion pilotanlæg koncept, kaldet ARC, er udviklet på MIT for at udforske de muligheder, som den nye superledende teknologi muliggør. Denne undersøgelse viste, at en maskine på størrelse med JET tokamak, kører med HTS-magneter ved 9 Tesla og med normaliserede plasmaparametre, der allerede er opnået i nuværende dages eksperimenter, kunne producere 500 megawatt fusionskraft og 200 megawatt nettoelektricitet.