På rette vej til fusionsenergi

En ny rapport om udviklingen af ​​fusion som energikilde, skrevet efter anmodning fra den amerikanske energiminister, foreslår vedtagelse af en national fusionsstrategi, der er tæt på linje med kursen, der er udstukket i de seneste år af MIT's Plasma Science and Fusion Center (PSFC) og privatfinansierede Commonwealth Fusion Systems (CFS), en nylig MIT spinout.

Fusionsteknologi har længe holdt løftet om at producere sikker, rigelig, kulstoffri elektricitet, mens de kæmper for at overvinde de skræmmende udfordringer med at skabe og udnytte fusionsreaktioner til at producere nettoenergigevinst. Men konsensusundersøgelsesrapporten fra National Academies of Science, Ingeniørarbejde, og Medicin siger, at fusionsteknologi med magnetisk indeslutning (en MIT-fokus siden 1970'erne) nu er "tilstrækkeligt avanceret til at foreslå en vej til at demonstrere fusionsgenereret energi inden for de næste adskillige årtier."

Det anbefaler fortsat amerikansk deltagelse i det internationale ITER-fusionsanlægsprojekt og "et nationalt program for ledsagende forskning og teknologi, der fører til opførelsen af ​​et kompakt pilotanlæg, der producerer elektricitet fra fusion til den lavest mulige kapitalomkostning."

Denne tilgang (som rapporten siger, vil kræve op til $200 millioner i yderligere årlig finansiering i flere årtier) udnytter mulighederne, der præsenteres af den nye generation af superledende magneter, reaktormaterialer, simulatorer, og andre relevante teknologier. Af særlig vægt fra udvalget er fremskridtene inden for højtemperatur superledende magneter, som kan få adgang til højere felter og mindre maskiner. Rapporten anbefaler et amerikansk program til at bevise højfelts magneter med stor boring. De anses for at muliggøre hurtigere og mindre omkostningskrævende lærings- og udviklingscyklusser end ekstremt store eksperimenter som ITER, som først kommer på nettet i 2025, mens de stadig drager fordel af den viden, der kommer fra disse programmer.

Denne mindre-hurtigere-billigere tilgang er inkorporeret i SPARC-reaktorkonceptet, som blev udviklet på PSFC og danner grundlaget for CFS's aggressive indsats for at demonstrere energi-gevinstfusion i midten af ​​2020'erne og producere praktiske reaktordesigns i begyndelsen af ​​2030'erne. Denne tilgang er baseret på den lignende konklusion, at højfelts højtemperaturmagneter repræsenterer en teknologi, der skifter spil. Et program på 30 millioner dollars mellem CFS og MIT for at demonstrere de højfelts superledende magneter med stor boring er i gang på MIT og er et nøgletrin til et kompakt fusionsenergisystem. På trods af at en håndfuld andre privatfinansierede fusionsselskaber har tilbudt nogenlunde sammenlignelige tidslinjer, National Academies-rapporten forestiller sig ikke, at demonstrationsfusionsreaktorer dukker op før tidsrammen i 2050.

Rapporten bekræfter også, at det videnskabelige grundlag for tokamak-tilgangen er blevet styrket i løbet af det foregående årti, giver stigende tillid til, at denne tilgang, som er grundlaget for ITER og SPARC, er i stand til at opnå nettoenergigevinst og danne grundlag for et kraftværk. På baggrund af denne øgede tillid anbefaler udvalget at gå videre med den teknologiske udvikling til et pilotkraftværk, der vil sætte strøm på nettet.

"De nationale akademier er en meget tankevækkende organisation, og de er typisk meget konservative, siger Bob Mumgaard, administrerende direktør for CFS. "Vi er glade for at se dem komme ud med en besked om, at det er tid til at gå ind i fusion, og at kompakt og økonomisk er vejen at gå. Vi mener, at udviklingen skal gå hurtigere, men det giver validering til folk, der ønsker at tackle udfordringen, og opstiller ting, vi kan gøre i USA, som vil føre til at sætte strøm på nettet."

Andrew Holland, direktør for den nyligt dannede Fusion Industry Association og Senior Fellow for Energy and Climate ved American Security Project, bemærker, at rapportens forfattere blev anklaget for at skabe "en konsensus videnskabsrapport, der afspejler nuværende veje, og den nuværende vej er at bygge ITER og gennemgå den eksperimentelle proces der, mens man i mellemtiden designer et pilotanlæg, DEMO."

At flytte konsensus mod en hurtigere vej frem, tilføjer Holland, vil kræve eksperimentelle resultater fra virksomheder som CFS. "Derfor er det bemærkelsesværdigt at have privatfinansierede virksomheder i USA og rundt om i verden, der forfølger de videnskabelige resultater, der vil bekræfte dette. Og det er bestemt vigtigt, at denne undersøgelse har til formål at få det regeringsbaserede videnskabssamfund til at tænke over en strategisk plan . Det skal ses som en del af en startpistol for fusionssamfundet, der går sammen og organiserer sin egen proces."

Eller, som Martin Greenwald, vicedirektør for PSFC og en veteran fusionsforsker, sætter det, "Der er en tendens i vores samfund til at skændes om en 20-årig plan eller en 30-årig plan, men vi ønsker ikke at fjerne øjnene fra, hvad vi skal gøre i de næste tre til fem år. Vi har måske ikke konsensus på den lange skala, men vi har brug for en til hvad vi skal gøre nu, og det har været det konsekvente budskab, siden vi annoncerede SPARC-projektet – at engagere det bredere samfund og tage initiativ.

"Det vigtigste for os er, at hvis fusion skal have en indvirkning på klimaændringer, vi har brug for svar hurtigt, vi kan ikke vente til slutningen af ​​århundredet, og det styrer tidsplanen. De private penge, der kommer ind, hjælper, men offentlig finansiering bør engagere sig i og supplere det. Hver side har en passende rolle. Nationale laboratorier bygger ikke kraftværker, og private virksomheder laver ikke grundforskning."

Mens flere tilgange til fusion forfølges i offentlige og private organisationer, National Academies-rapporten fokuserer udelukkende på magnetisk indeslutningsteknologi. Dette afspejler rapportens rolle i Energiministeriets svar på en kongresanmodning fra 2016 om oplysninger om amerikansk deltagelse i ITER, et magnetisk indeslutningsprojekt. Betænkningsudvalgets 19 eksperter, som udførte to års forskning, blev også tiltalt for at udforske relaterede spørgsmål om "hvordan man bedst kan fremme fusionsvidenskaberne i USA." og "den videnskabelige begrundelse og behov for at styrke grundlaget for at realisere fusionsenergi givet et potentielt valg af amerikansk deltagelse eller ej i ITER-projektet."

Rapportens udgivelse kommer på et tidspunkt med fornyet aktivitet og interesse for fusionsenergi, med omkring 20 private virksomheder, der fortsætter udviklingen, øgede midler i det seneste føderale budget, og dannelsen af ​​Fusion Industry Association for at tale for samfundet som helhed. Men rapporten advarer om, at "fraværet af en langsigtet forskningsstrategi for USA er særligt tydeligt i forhold til vores internationale partneres planer."

Den situation kan være under udvikling. "Vi havde et meget hyggeligt møde med interessenter for halvanden måned siden i DC, og der var meget resonans blandt private virksomheder, forskningsmiljøet, Energiministeriet, og kongresmedarbejdere fra begge partier, " siger Greenwald. "Det ser ud til, at der er fart, selvom vi endnu ikke ved, hvilken form det vil tage." Han tilføjer, at etableringen af ​​en brancheforening er meget nyttig til at navigere og kommunikere i Washington.

"Vi ville elske at se regeringen have en rolle i ting, der løfter alle fusionsselskaber, som avancerede materialelaboratorier, processen med at udvinde varme fra reaktorer, additiv fremstilling, simuleringer, og andre værktøjer, " siger Mumgaard. "Der er mange muligheder for samarbejde og samarbejde; hver virksomhed vil have en anden blanding af partnerskaber, selv på personaleudveksling, som vi gør med MIT."

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.