Het groeiende gevoel van urgentie rond de ontwikkeling van fusietechnologie voor energieproductie in de Verenigde Staten kreeg deze week een nieuwe impuls met de publicatie van een gemeenschapsconsensusrapport door een diverse groep onderzoekers uit de academische wereld, overheidslaboratoria, en industrie. Een van de aanbevelingen is de ontwikkeling van een proeffusiecentrale, een ambitieus doel dat een belangrijke stap zou zijn in de richting van een Amerikaanse fusie-energie-industrie.

Het rapport - het eerste in zijn soort in bijna 20 jaar en het resultaat van een nieuw samenwerkingsproces van 15 maanden - identificeert wetenschappelijke behoeften met hoge prioriteit die kunnen helpen hiaten in de kennis van kernfusie op te vullen en de drive te vergemakkelijken om van kernfusie een praktische energiebron te maken. Het zal worden gebruikt door het Fusion Energy Sciences Advisory Committee (FESAC) van het Amerikaanse Department of Energy, aangezien het een nieuwe fase van strategische planning onderneemt voor zijn Fusion Energy Sciences-programma, de belangrijkste Amerikaanse bron van financiering voor fusieonderzoek.

Indien succesvol ingezet, kernfusie zou het wereldenergienetwerk fundamenteel veranderen door veilige, overvloedig, koolstofvrije elektriciteitsproductie.

Ongeveer 300 leden van de fusiegemeenschap hebben hun consensus bereikt tijdens drie grote workshopbijeenkomsten en honderden online werkgroepsessies, gebruikmakend van een anoniem stemproces dat alle deelnemers de kans gaf om zich vrij uit te drukken. De belangrijkste energiegerelateerde prioriteiten zijn onder meer:

• ontwikkeling van een gedeelde neutronenbronfaciliteit die kan worden gebruikt voor de ontwikkeling van kritische materialen en ontwerpen van elektriciteitscentrales;
• voortdurende cultivering van kennis over brandende plasmafysica door voortdurende deelname aan het internationale ITER-programma en uitgebreide publiek-private samenwerking in de Verenigde Staten; en
• Onmiddellijk pre-conceptueel ontwerp van een nieuwe Amerikaanse tokamak-faciliteit, die tegen het einde van het decennium operationeel zou zijn en ondersteuning zou bieden voor de winning van energie uit uitlaatwarmte en de instandhouding van plasma.

Ook werden verschillende "kansen en onderzoeksbehoeften" geïdentificeerd die breed toepasbaar zijn in de fusie- en plasmavelden:gebruik van geavanceerde computertechnologieën voor een beter begrip en modellering; ontwikkeling van verbeterde plasmadiagnostiek; meer steun voor publiek-private partnerschappen; en diversiteit te omarmen, eigen vermogen, en inclusie, samen met de ontwikkeling van een meer multidisciplinair personeelsbestand.

"Dit is de eerste keer in een generatie waarin de fusiegemeenschap is opgeroepen om zichzelf te organiseren en haar hoogste prioriteiten te bepalen om van fusiewetenschap naar fusie-energie te komen, " zegt Bob Mumgaard, chief executive van MIT spin-out Commonwealth Fusion Systems (CFS), een van een groeiend aantal particuliere bedrijven die fusie nastreven. "Hoe we ons kunnen voorbereiden, met gegevens, beleven, testfaciliteiten - de dingen die nodig zijn om de wetenschap te ondersteunen, en uiteindelijk een industrie.

"De National Academies of Science (NAS) hebben een goed rapport uitgebracht [eind 2018], dat zei dat we moedig moesten zijn en nu fusie moesten doen en testfaciliteiten moesten creëren, ", voegt Mumgaard toe. "Maar dit is anders omdat het de hele gemeenschap is, samenkomen in een zeer transparante inspanning van de basis om vragen te beantwoorden over wat we doen, wat gedaan moet worden, en wat we bereid zijn niet te doen. Het is niet in een achterkamertje gedaan, maar door wetenschappers zelf, en ze kwamen met een plan en prioriteiten - het is best cool."

Nathan Howard, een onderzoekswetenschapper bij MIT's Plasma Science and Fusion Center, was een van de zeven covoorzitters die het ontwikkelingstoezicht op het rapport deelden, die zal worden gebruikt bij het ontwikkelen van strategische langetermijnplannen voor fusiewetenschapsprogramma's in antwoord op een FESAC-verzoek dat in november 2018 is uitgegeven.

"De American Physical Society Division of Plasma Physics nam het voortouw en bracht ons zeven samen om gegevens van de gemeenschap te verzamelen, " legt Howard uit. Naast fusie-energie, de inspanning leverde ook uitgebreide aanbevelingen op voor Discovery Plasma Science, een divers gebied van meer fundamenteel onderzoek met impact in de astrofysica, plasmafysica met hoge energiedichtheid, en andere disciplines.

Een belangrijke ontwikkeling was het creëren van diepere banden tussen de groep die zich richtte op kernfusie met magnetische opsluiting en de groep die zich richtte op aan kernfusie gerelateerde materialen en technologieën.

"Het was echt niet logisch dat die gescheiden waren, " merkt Howard op. "De fusie vond op natuurlijke wijze plaats tijdens het proces en werd gedeeltelijk gemotiveerd door het NAS-brandend plasmarapport, die zei dat de VS zouden moeten doorgaan met het bouwen van een proeffabriek voor kernfusie, een reactor die de opwekking van elektriciteit uit kernfusie en een gesloten splijtstofcyclus zal demonstreren. De fusiegemeenschap heeft tijdens het proces de bouw van een proeffabriek als missie aangenomen"

Hoewel aanvullend plasmaonderzoek belangrijk is om dat doel te bereiken, voegt Howard toe, "de gemeenschap erkende vrij duidelijk dat we meer nadruk moeten leggen op fusiematerialen en -technologie. Waar we het meest ontbreken in de voortgang naar een energiecentrale, is op gebieden zoals het ontwerp van de deken [het gebied rond de reactor, gebruikt om fusiebrandstof te kweken] en fusierelevante materialen."

Veel van de onopgeloste materiaalkwesties zijn niet alleen van toepassing op kernfusie met magnetische opsluiting, inclusief de tokamak-type reactoren die tot nu toe de meeste ontwikkelingsaandacht hebben gekregen, maar ook voor traagheidsopsluiting en andere benaderingen, die verschillende kansen en uitdagingen bieden.

De officiële ontvanger van het rapport is een FESAC-subcommissie onder voorzitterschap van Troy Carter, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Californië in Los Angeles en directeur van de Basic Plasma Science Facility en Plasma Science and Technology Institute van de universiteit. Hij prees Howard en de andere covoorzitters voor "ongelooflijk hard werken om de inspanning te organiseren en zoveel mensen bij elkaar te brengen. Het rapport is zeer overtuigend, en de hele gemeenschap moet worden geprezen - dit is een voorbeeld voor toekomstige herhalingen van het proces en maakt het werk van mijn subcommissie veel gemakkelijker."

Vooral, zegt Carter, "junior leden van de gemeenschap zijn echt opgevoerd. De co-voorzitters zijn voor het grootste deel junior en mid-career mensen, en het is belangrijk dat het hun plan is, want gezien de tijdschaal, zij zullen degenen zijn die het implementeren."

Carter merkt op dat, terwijl hij wist dat het concept om agressief naar een proeffabriek te rijden steun had, "Ik was een beetje verbaasd over hoe sterk het werd omarmd in het proces. Het is ambitieus, en het wijst ons in de richting van het gebruik van innovatie om fusie-energie veel sneller op het net te krijgen. Er is nog veel werk te doen in de kernplasmafysica, maar we moeten ook aan de slag met materialen en andere technologie, waar we nu niet genoeg moeite voor doen. Het is verfrissend om te zien dat brede steun voor het veranderen van richting."

De groep van Carter zal de bevindingen van het rapport nu opnemen in strategische plannen die verschillende budgetscenario's weerspiegelen die het heeft gekregen.

"We zullen alles uitstippelen om te profiteren van de kansen in de wetenschap en door te gaan naar het doel om een ​​proeffabriek te realiseren. We hebben echt goede informatie over initiatieven en begeleiding bij het stellen van prioriteiten, " zegt hij. "Maar veel van de initiatieven liggen niet op het niveau van conceptueel ontwerp, dus we zullen wat werk moeten verzetten om erachter te komen wat ze gaan kosten. We hebben projectmanagementexperts om mee samen te werken, en ook mensen van de particuliere kant - we hebben drie leden verbonden aan particuliere fusiebedrijven, en zal ook andere externe standpunten betrekken."

Dat proces zal naar verwachting ongeveer acht maanden duren, zegt Carter, de resultaten worden rond het einde van het jaar aan FESAC voorgelegd. Na een stemming, het zou het officiële advies van de FESAC aan het ministerie van Energie worden. "Het is iets waar veel mensen in het Congres in geïnteresseerd zijn, " merkt Carter op.

CFS's Mumgaard zegt dat de levering van het rapport een sleutelmoment zou kunnen zijn voor de Verenigde Staten, met het potentieel om te leiden tot een nieuw fusiebeleid, Congresactie om de ontluikende fusie-industrie te ondersteunen en voor te bereiden op vergunningen en regelgeving voor energiecentrales, en doorlopende financiering die academische en nationale laboratoriumleiders het vertrouwen zou geven om personeel aan te nemen en infrastructuur te bouwen. "Het voelt alsof het de goede kant op gaat, "zegt hij. "De wetenschappelijke gemeenschap moet met één stem spreken, en dit is het proces dat die stem creëert."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.