Fremskynde udviklingen af ​​fusionskraft for at skabe ubegrænset energi på Jorden

Kan tokamak fusionsfaciliteter, de mest udbredte enheder til at høste på jorden de fusionsreaktioner, der driver solen og stjernerne, udvikles hurtigere til at producere sikre, ren, og praktisk talt ubegrænset energi til at generere elektricitet? Fysiker Jon Menard fra US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har undersøgt dette spørgsmål i et detaljeret kig på begrebet en kompakt tokamak udstyret med høj temperatur superledende (HTS) magneter. Sådanne magneter kan producere højere magnetiske felter - nødvendige for at producere og opretholde fusionsreaktioner - end det ellers ville være muligt i et kompakt anlæg.

Menard præsenterede først avisen, nu udgivet i Philosophical Transactions of the Royal Society A , til et Royal Society-værksted i London, der undersøgte at accelerere udviklingen af ​​tokamak-produceret fusionskraft med kompakte tokamaks. "Dette er det første papir, der kvantitativt dokumenterer, hvordan de nye superledere kan samspille med det høje pres, som kompakte tokamakker producerer for at påvirke, hvordan tokamaks optimeres i fremtiden, "Menard sagde." Det, vi forsøgte at udvikle, var nogle enkle modeller, der fanger vigtige aspekter af et integreret design. "

"Meget betydningsfulde" fund

Resultaterne er "meget betydningsfulde, "sagde Steve Cowley, direktør for PPPL. Cowley bemærkede, at "Jons argumenter i dette og det forrige papir har været meget indflydelsesrige i den seneste rapport fra National Academies of Sciences, "som opfordrer til et amerikansk program til at udvikle et kompakt fusionspilotanlæg til at generere elektricitet til den lavest mulige pris." Jon har virkelig skitseret de tekniske aspekter for meget mindre tokamaks ved hjælp af magneter med høj temperatur, "Sagde Cowley.

Kompakte tokamaks, som kan omfatte sfæriske faciliteter såsom National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), der er under reparation hos PPPL og Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) i Storbritannien, give nogle fordelagtige funktioner. Enhederne, formet som æbler med kerner frem for donutlignende konventionelle tokamaks, kan producere højtryksplasmaer, der er afgørende for fusionsreaktioner med relativt lave og omkostningseffektive magnetfelter.

Sådanne reaktioner smelter lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - for at frigive energi. Forskere søger at replikere denne proces og i det væsentlige skabe en stjerne på Jorden for at generere rigelig elektricitet til hjem, gårde, og industrier over hele verden. Fusion kan vare millioner af år med ringe risiko og uden at generere drivhusgasser.

Forlænger tidligere undersøgelse

Menards undersøgelse forlænger hans tidligere undersøgelse af et sfærisk design, der kunne udvikle materialer og komponenter til en fusionsreaktor og fungere som et pilotanlæg til produktion af elektrisk kraft. Det aktuelle papir giver en detaljeret analyse af de komplekse afvejninger, som fremtidige eksperimenter skal udforske, når det kommer til at integrere kompakte tokamaks med HTS-magneter. "Vi er klar over, at der ikke er en enkelt innovation, der kan regnes med at føre til et gennembrud for at gøre enheder mere kompakte eller økonomiske, "Menard sagde." Du skal se på et helt integreret system for at vide, om du får fordele ved højere magnetfelter. "

Papiret fokuserer nøglespørgsmål på størrelsen af ​​hullet, defineret som "billedformat, "i midten af ​​tokamak, der holder og former plasmaet. I sfæriske tokamaks, dette hul kan være halvt så stort som hullet i konventionelle tokamaks, svarende til den æbleformede æble-lignende form i det kompakte design. Mens fysikere mener, at lavere billedformater kan forbedre plasmastabilitet og plasmaindeslutning, "Vi ved det ikke på indespærringssiden, før vi kører eksperimenter på NSXT-U og MAST-opgraderingerne, "Sagde Menard.

Lavere billedformater giver en attraktiv indstilling for HTS -magneter, hvis høje strømtæthed kan producere de stærke magnetfelter, som fusion kræver inde i det relativt smalle rum i en kompakt tokamak. Imidlertid, superledende magneter har brug for tyk afskærmning for beskyttelse mod neutronbombardementskader og opvarmning, forlader knappe plads til en transformer til at få strøm i plasmaet til at fuldføre vridningsfeltet, når enhedens størrelse reduceres. For design med lavere billedformat, forskere skulle derfor udvikle nye teknikker til at producere nogle eller alle de indledende plasmastrømme.

200 til 300 megawatt elektrisk strøm

At opretholde plasmaet til at generere de 200-300 megawatt elektrisk strøm, som papiret undersøger, vil også kræve højere indeslutning, end standard tokamak-driftsregimer typisk opnår. En sådan kraftproduktion kan føre til udfordrende strømninger af fusionsneutroner, der ville begrænse den estimerede levetid for HTS-magneterne til et til to års fuld effektdrift. Tykkere afskærmning kan øge levetiden væsentligt, men også reducere leveringen af ​​fusionskraft.

Der vil faktisk være behov for stor udvikling for HTS-magneter, som endnu ikke er bygget i målestok. "Det vil sandsynligvis tage år at sammensætte en model af de væsentlige elementer i krav til magnetstørrelse og relaterede faktorer som en funktion af billedformat, "Sagde Menard.

Bundlinjen, han sagde, er, at det lavere billedformat "virkelig er værd at undersøge baseret på disse resultater." De potentielle fordele ved lavere nøgletal, han bemærkede, omfatte produktion af fusionseffekttæthed - den afgørende effekt af fusionseffekt pr. plasma -volumen - der overstiger output for konventionelle billedformater. "Fusion skal blive mere attraktiv, "Menard sagde, "så det er vigtigt at vurdere fordelene ved lavere formatforhold og hvad afvejningerne er."