Validering af fysikken bag det nye MIT-designede fusionseksperiment

For to et halvt år siden, MIT indgik en forskningsaftale med startup-virksomheden Commonwealth Fusion Systems om at udvikle et næste generations fusionsforskningseksperiment, kaldet SPARC, som en forløber for en praktisk, emissionsfrit kraftværk.

Nu, efter mange måneders intensivt forsknings- og ingeniørarbejde, forskerne, der har til opgave at definere og forfine fysikken bag det ambitiøse reaktordesign, har udgivet en række artikler, der opsummerer de fremskridt, de har gjort, og skitserer de centrale forskningsspørgsmål, som SPARC vil muliggøre.

Samlet set, siger Martin Greenwald, vicedirektør for MIT's Plasma Science and Fusion Center og en af ​​projektets ledende forskere, arbejdet forløber gnidningsløst og på sporet. Denne serie af papirer giver et højt niveau af tillid til plasmafysikken og præstationsforudsigelserne for SPARC, han siger. Ingen uventede forhindringer eller overraskelser er dukket op, og de resterende udfordringer ser ud til at være overskuelige. Dette danner et solidt grundlag for enhedens drift, når den er konstrueret, ifølge Greenwald.

Greenwald skrev introduktionen til et sæt på syv forskningsartikler forfattet af 47 forskere fra 12 institutioner og offentliggjort i dag i et særnummer af Journal of Plasma Physics . Sammen, artiklerne skitserer det teoretiske og empiriske fysikgrundlag for det nye fusionssystem, som konsortiet forventer at begynde at bygge næste år.

SPARC er planlagt til at være den første eksperimentelle enhed nogensinde til at opnå et "brændende plasma" - dvs. en selvopretholdende fusionsreaktion, hvor forskellige isotoper af grundstoffet brint smelter sammen og danner helium, uden behov for yderligere tilførsel af energi. At studere adfærden af ​​dette brændende plasma – noget der aldrig før er set på Jorden på en kontrolleret måde – ses som afgørende information for at udvikle det næste trin, en fungerende prototype af en praktisk, el-producerende kraftværk.

Sådanne fusionskraftværker kan betydeligt reducere drivhusgasemissionerne fra elproduktionssektoren, en af ​​de største kilder til disse emissioner globalt. MIT- og CFS -projektet er et af de største privatfinansierede forsknings- og udviklingsprojekter, der nogensinde er gennemført inden for fusionsområdet.

SPARC-designet, dog omtrent dobbelt så stor som MIT's nu pensionerede Alcator C-Mod-eksperiment og ligner adskillige andre forskningsfusionsreaktorer, der i øjeblikket er i drift, ville være langt stærkere, at opnå en fusionsydelse, der kan sammenlignes med den, der forventes i den meget større ITER-reaktor, der bygges i Frankrig af et internationalt konsortium. Den høje effekt i en lille størrelse er muliggjort af fremskridt inden for superledende magneter, der tillader et meget stærkere magnetfelt at begrænse det varme plasma.

SPARC-projektet blev lanceret i begyndelsen af ​​2018, og arbejde på sin første fase, udviklingen af ​​de superledende magneter, der ville gøre det muligt at bygge mindre fusionssystemer, er gået hurtigt frem. Det nye sæt papirer repræsenterer første gang, at det underliggende fysikgrundlag for SPARC-maskinen er blevet beskrevet i detaljer i peer-reviewede publikationer. De syv artikler udforsker de specifikke områder inden for fysikken, der skulle forbedres yderligere, og det kræver stadig løbende forskning for at fastslå de sidste elementer i maskindesignet og de driftsprocedurer og test, der vil blive involveret, når arbejdet skrider frem mod kraftværket.

Papirerne beskriver også brugen af ​​beregninger og simuleringsværktøjer til design af SPARC, som er blevet testet mod mange eksperimenter rundt om i verden. Forfatterne brugte banebrydende simuleringer, køre på kraftfulde supercomputere, der er udviklet til at hjælpe med designet af ITER. Det store multi-institutionelle team af forskere repræsenteret i det nye sæt af papirer havde til formål at bringe de bedste konsensusværktøjer til SPARC-maskindesignet for at øge tilliden til, at den vil nå sin mission.

Den hidtidige analyse viser, at SPARC-reaktorens planlagte fusionsenergiproduktion skulle kunne opfylde designspecifikationerne med en behagelig margin til overs. Den er designet til at opnå en Q-faktor - en nøgleparameter, der angiver effektiviteten af ​​et fusionsplasma - på mindst 2, betyder i bund og grund, at der produceres dobbelt så meget fusionsenergi som mængden af ​​energi, der pumpes ind for at generere reaktionen. Det ville være første gang, et fusionsplasma af nogen art har produceret mere energi, end det forbrugte.

Beregningerne på dette tidspunkt viser, at SPARC faktisk kunne opnå et Q-forhold på 10 eller mere, ifølge de nye papirer. Mens Greenwald advarer om, at holdet ønsker at være forsigtige med ikke at overløfte, og meget arbejde tilbage, resultaterne indtil videre indikerer, at projektet i det mindste vil nå sine mål, og specifikt vil opfylde sit vigtigste mål om at producere et brændende plasma, hvor selvopvarmningen dominerer energibalancen.

Begrænsninger pålagt af COVID-19-pandemien bremsede fremskridtet en smule, men ikke meget, han siger, og forskerne er tilbage i laboratorierne under nye driftsretningslinjer.

Samlet set, "Vi sigter stadig efter en byggestart omkring juni '21, " siger Greenwald. "Fysikindsatsen er velintegreret med det tekniske design. Det, vi forsøger at gøre, er at sætte projektet på det fastest mulige fysiske grundlag, så vi er sikre på, hvordan det kommer til at fungere, og derefter at give vejledning og besvare spørgsmål til det tekniske design, mens det skrider frem."

Mange af de fine detaljer arbejdes stadig på maskindesignet, dækker de bedste måder at få energi og brændstof i enheden, få strømmen ud, håndtering af pludselige termiske eller strømtransienter, og hvordan og hvor man skal måle nøgleparametre for at overvåge maskinens drift.

Indtil nu, der er kun sket mindre ændringer i det overordnede design. Reaktorens diameter er blevet øget med omkring 12 procent, men lidt andet har ændret sig, siger Greenwald. "Der er altid spørgsmålet om lidt mere af det her, lidt mindre af det, og der er mange ting, der vejer ind i det, ingeniørspørgsmål, mekaniske spændinger, termiske belastninger, og der er også fysikken - hvordan påvirker du maskinens ydeevne?"

Udgivelsen af ​​dette særlige nummer af tidsskriftet, han siger, "repræsenterer et resumé, et øjebliksbillede af det fysiske grundlag, som det ser ud i dag." Selvom medlemmer af teamet har diskuteret mange aspekter af det på fysikmøder, "Dette er vores første mulighed for at fortælle vores historie, få det anmeldt, få godkendelsesstemplet, og læg det ud i samfundet."

Greenwald siger, at der stadig er meget at lære om fysikken ved at brænde plasmaer, og når denne maskine er oppe og køre, der kan opnås nøgleinformation, som vil være med til at bane vejen for kommerciel, strømproducerende fusionsenheder, hvis brændstof - brintisotoperne deuterium og tritium - kan gøres tilgængeligt i praktisk talt ubegrænsede forsyninger.

Detaljerne i det brændende plasma "er virkelig nye og vigtige, " siger han. "Det store bjerg, vi skal over, er at forstå denne selvopvarmede tilstand af et plasma."

Samlet set, Greenwald siger, det arbejde, der er gået ind i analysen præsenteret i denne pakke af papirer, "er med til at bekræfte vores tillid til, at vi vil nå missionen. Vi er ikke stødt på noget, hvor vi siger, 'åh, dette er at forudsige, at vi ikke kommer derhen, hvor vi vil." Kort sagt, han siger, "en af ​​konklusionerne er, at tingene stadig ser på sporet. Vi tror på, at det kommer til at fungere."