Nyt design kan hjælpe med at kaste overskydende varme i næste generations fusionskraftværker

En klasseøvelse på MIT, hjulpet af industriforskere, har ført til en innovativ løsning på en af ​​de mangeårige udfordringer, som udviklingen af ​​praktiske fusionskraftværker står over for:hvordan man slipper af med overskydende varme, der ville forårsage strukturelle skader på anlægget.

Den nye løsning blev muliggjort af en innovativ tilgang til kompakte fusionsreaktorer, ved hjælp af højtemperatur superledende magneter. Denne metode dannede grundlaget for et massivt nyt forskningsprogram, der blev lanceret i år på MIT og oprettelsen af ​​en uafhængig startup-virksomhed, der skulle udvikle konceptet. Det nye design, i modsætning til typiske fusionsplanter, ville gøre det muligt at åbne enhedens indre kammer og udskifte kritiske komponenter; denne evne er afgørende for den nyligt foreslåede varmeafledningsmekanisme.

Den nye tilgang er beskrevet i en artikel i tidsskriftet Fusionsteknik og design , skrevet af Adam Kuang, en kandidatstuderende fra den klasse, sammen med 14 andre MIT-studerende, ingeniører fra Mitsubishi Electric Research Laboratories og Commonwealth Fusion Systems, og professor Dennis Whyte, direktør for MIT's Plasma Science and Fusion Center, der underviste i klassen.

I det væsentlige, Whyte forklarer, varmeafgivelsen inde fra et fusionsanlæg kan sammenlignes med udstødningssystemet i en bil. I det nye design, "udstødningsrøret" er meget længere og bredere, end det er muligt i nogen af ​​nutidens fusionsdesign, gør den meget mere effektiv til at afgive den uønskede varme. Men den nødvendige teknik for at gøre det muligt krævede en hel del kompleks analyse og evaluering af mange snesevis af mulige designalternativer.

Tæmning af fusionsplasma

Fusion udnytter den reaktion, der driver solen selv, holder løftet om til sidst at producere rent, rigelig elektricitet ved hjælp af et brændstof afledt af havvand - deuterium, en tung form for brint, og lithium - så brændstofforsyningen er stort set ubegrænset. Men årtiers forskning mod sådanne strømproducerende anlæg har stadig ikke ført til en enhed, der producerer så meget strøm, som den forbruger, meget mindre en, der faktisk producerer en nettoenergiproduktion.

Tidligere i år, imidlertid, MIT's forslag til en ny slags fusionsanlæg – sammen med flere andre innovative designs, der blev udforsket af andre – fik endelig målet om praktisk fusionskraft til at virke inden for rækkevidde. Men flere designmæssige udfordringer mangler at blive løst, inklusive en effektiv måde at fjerne den indre varme fra det supervarme, elektrisk ladet materiale, kaldet plasma, begrænset inde i enheden.

Det meste af den energi, der produceres inde i en fusionsreaktor, udsendes i form af neutroner, som opvarmer et materiale, der omgiver fusionsplasmaet, kaldet et tæppe. I et kraftproducerende anlæg, at opvarmet tæppe igen ville blive brugt til at drive en genererende turbine. Men omkring 20 procent af energien produceres i form af varme i selve plasmaet, som på en eller anden måde skal spredes for at forhindre det i at smelte de materialer, der danner kammeret.

Intet materiale er stærkt nok til at modstå varmen fra plasmaet inde i en fusionsenhed, som når temperaturer på millioner af grader, så plasmaet holdes på plads af kraftige magneter, der forhindrer det i nogensinde at komme i direkte kontakt med de indvendige vægge i det donutformede fusionskammer. I typiske fusionsdesigns, et separat sæt magneter bruges til at skabe en slags sidekammer til at dræne overskydende varme af, men disse såkaldte afledere er utilstrækkelige til den høje varme i det nye, kompakt anlæg.

Et af de ønskværdige egenskaber ved ARC-designet er, at det ville producere strøm i en meget mindre enhed, end der ville kræves fra en konventionel reaktor med samme output. Men det betyder mere kraft begrænset i et mindre rum, og dermed mere varme at komme af med.

"Hvis vi ikke gjorde noget ved varmeudstødningen, mekanismen ville rive sig selv i stykker, " siger Kuang, hvem er hovedforfatter af papiret, beskriver den udfordring, holdet tog fat på - og i sidste ende løste.

Inside job

I konventionelle fusionsreaktordesigns, de sekundære magnetspoler, der skaber omlederen, ligger uden for de primære, fordi der simpelthen ikke er nogen måde at sætte disse spoler inde i de solide primære spoler. Det betyder, at de sekundære spoler skal være store og kraftige, at få deres marker til at trænge ind i kammeret, og som følge heraf er de ikke særlig præcise i, hvordan de kontrollerer plasmaformen.

Men det nye MIT-originerede design, kendt som ARC (for avanceret, robust, og kompakt) har magneter indbygget i sektioner, så de kan fjernes til service. Dette gør det muligt at få adgang til hele interiøret og placere de sekundære magneter inde i hovedspolerne i stedet for udenfor. Med denne nye ordning, "bare ved at flytte dem tættere [på plasmaet] kan de reduceres betydeligt i størrelse, " siger Kuang.

I et semesters kandidatklasse 22.63 (Principles of Fusion Engineering), eleverne blev opdelt i hold for at tage fat på forskellige aspekter af varmeafvisningsudfordringen. Hvert hold startede med at lave en grundig litteratursøgning for at se, hvilke koncepter der allerede var blevet prøvet, så brainstormede de for at finde på flere koncepter og eliminerede gradvist dem, der ikke lykkedes. De, der havde lovet, blev udsat for detaljerede beregninger og simuleringer, baseret, delvis, om data fra årtiers forskning i forskningsfusionsenheder såsom MIT's Alcator C-Mod, som blev pensioneret for to år siden. C-Mod videnskabsmand Brian LaBombard delte også indsigt i nye former for omledere, og to ingeniører fra Mitsubishi arbejdede også med holdet. Flere af eleverne fortsatte med at arbejde på projektet efter klassens afslutning, i sidste ende fører til løsningen beskrevet i dette nye papir. Simuleringerne demonstrerede effektiviteten af ​​det nye design, de slog sig til.

"Det var rigtig spændende, hvad vi opdagede, " siger Whyte. Resultatet er omledere, der er længere og større, og det holder plasmaet mere præcist kontrolleret. Som resultat, de kan klare de forventede intense varmebelastninger.

"Du ønsker at gøre 'udstødningsrøret' så stort som muligt, "Whyte siger, forklarer, at placeringen af ​​de sekundære magneter inde i de primære gør det muligt. "Det er virkelig en revolution for et kraftværksdesign, " siger han. Ikke alene muliggør de højtemperatursuperledere, der bruges i ARC-designets magneter en kompakt, højdrevet kraftværk, han siger, "men de giver også en masse muligheder" for at optimere designet på forskellige måder – bl.a. det viser sig, dette nye divertor-design.

Fremadrettet, nu hvor det grundlæggende koncept er blevet udviklet, der er masser af plads til videreudvikling og optimering, inklusive den nøjagtige form og placering af disse sekundære magneter, siger holdet. Forskerne arbejder på at videreudvikle detaljerne i designet.

"Dette åbner op for nye veje til at tænke på omledere og varmestyring i en fusionsenhed, " siger Whyte.