Kan tokamak-fusiefaciliteiten, de meest gebruikte apparaten voor het oogsten op aarde van de fusiereacties die de zon en de sterren aandrijven, sneller worden ontwikkeld om veilige, schoon, en vrijwel onbeperkte energie voor het opwekken van elektriciteit? Natuurkundige Jon Menard van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft die vraag onderzocht in een gedetailleerde kijk op het concept van een compacte tokamak uitgerust met supergeleidende (HTS) magneten voor hoge temperaturen. Dergelijke magneten kunnen hogere magnetische velden produceren - die nodig zijn om fusiereacties te produceren en in stand te houden - dan anders mogelijk zou zijn in een compacte faciliteit.

Menard presenteerde eerst de krant, nu gepubliceerd in Filosofische transacties van de Royal Society A , naar een workshop van de Royal Society in Londen die onderzocht hoe de ontwikkeling van door tokamak geproduceerde fusie-energie met compacte tokamaks kon worden versneld. "Dit is het eerste artikel dat kwantitatief documenteert hoe de nieuwe supergeleiders kunnen interageren met de hoge druk die compacte tokamaks produceren om te beïnvloeden hoe tokamaks in de toekomst worden geoptimaliseerd, "Zei Menard. "Wat we probeerden te ontwikkelen, waren enkele eenvoudige modellen die belangrijke aspecten van een geïntegreerd ontwerp vastleggen."

"Zeer belangrijke" bevindingen

De bevindingen zijn "zeer significant, " zei Steve Cowley, directeur van PPP. Cowley merkte op dat "Jon's argumenten in dit en het vorige artikel zeer invloedrijk zijn geweest in het recente rapport van de National Academies of Sciences, " waarin wordt opgeroepen tot een Amerikaans programma voor de ontwikkeling van een compacte proeffabriek voor kernfusie om elektriciteit op te wekken tegen de laagst mogelijke kosten. "Jon heeft echt de technische aspecten geschetst voor veel kleinere tokamaks met behulp van magneten voor hoge temperaturen, ' zei Cowley.

Compacte tokamaks, die sferische faciliteiten kunnen omvatten zoals de National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) die in reparatie is bij PPPL en de Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) in Groot-Brittannië, enkele voordelige eigenschappen bieden. de apparaten, in de vorm van appels zonder klokhuis in plaats van donutachtige conventionele tokamaks, kan hogedrukplasma's produceren die essentieel zijn voor fusiereacties met relatief lage en kosteneffectieve magnetische velden.

Dergelijke reacties smelten lichte elementen samen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - om energie vrij te maken. Wetenschappers proberen dit proces te repliceren en in wezen een ster op aarde te creëren om overvloedige elektriciteit voor huizen op te wekken, boerderijen, en industrieën over de hele wereld. Fusie zou miljoenen jaren kunnen duren met weinig risico en zonder broeikasgassen te genereren.

Verlengt vorig onderzoek

De studie van Menard breidt zijn eerdere onderzoek uit naar een bolvormig ontwerp dat materialen en componenten voor een fusiereactor kan ontwikkelen en als proeffabriek kan dienen om elektrische energie te produceren. Het huidige artikel biedt een gedetailleerde analyse van de complexe afwegingen die toekomstige experimenten zullen moeten onderzoeken als het gaat om de integratie van compacte tokamaks met HTS-magneten. "We realiseren ons dat er geen enkele innovatie is waarop kan worden gerekend om tot een doorbraak te leiden om apparaten compacter of zuiniger te maken, "Zei Menard. "Je moet naar een volledig geïntegreerd systeem kijken om te weten of je voordeel haalt uit hogere magnetische velden."

Het document concentreert belangrijke kwesties op de grootte van het gat, gedefinieerd als de "beeldverhouding, " in het midden van de tokamak die het plasma vasthoudt en vormt. In bolvormige tokamaks, dit gat kan half zo groot zijn als het gat in conventionele tokamaks, overeenkomend met de klokvormige appelachtige vorm van het compacte ontwerp. Hoewel natuurkundigen geloven dat lagere beeldverhoudingen de plasmastabiliteit en plasmaopsluiting kunnen verbeteren, "We zullen het aan de opsluitingskant niet weten totdat we experimenten uitvoeren op de NSXT-U en de MAST-upgrades, ' zei Menard.

Lagere beeldverhoudingen bieden een aantrekkelijke instelling voor HTS-magneten, waarvan de hoge stroomdichtheid de sterke magnetische velden kan produceren die fusie vereist in de relatief smalle ruimte van een compacte tokamak. Echter, supergeleidende magneten hebben een dikke afscherming nodig voor bescherming tegen schade door neutronenbombardementen en verhitting, waardoor er weinig ruimte overblijft voor een transformator om stroom in het plasma te induceren om het draaiveld te voltooien wanneer de grootte van het apparaat wordt verkleind. Voor ontwerpen met een lagere aspectverhouding, wetenschappers zouden dus nieuwe technieken moeten ontwikkelen om een ​​deel of alle initiële plasmastroom te produceren.

200 tot 300 megawatt elektrisch vermogen

Om het plasma in stand te houden om de 200 tot 300 megawatt aan elektrische stroom te genereren die de paper onderzoekt, zou ook een hogere opsluiting nodig zijn dan standaard tokamak-bedieningsregimes doorgaans bereiken. Een dergelijke energieproductie zou kunnen leiden tot uitdagende fluxen van fusie-neutronen die de geschatte levensduur van de HTS-magneten zouden beperken tot één tot twee jaar bij volledig vermogen. Dikkere afscherming zou die levensduur aanzienlijk kunnen verlengen, maar zou ook de levering van fusie-energie verlagen.

Voor HTS-magneten zal namelijk een grote ontwikkeling nodig zijn, die nog niet op schaal zijn gebouwd. "Het zal waarschijnlijk jaren duren om een ​​model samen te stellen van de essentiële elementen van de vereisten voor magneetafmetingen en gerelateerde factoren als een functie van de beeldverhouding, ' zei Menard.

Het komt neer op, hij zei, is dat de lagere beeldverhouding "op basis van deze resultaten echt de moeite waard is om te onderzoeken". De potentiële voordelen van lagere ratio's, hij merkte, omvatten de productie van fusie-energiedichtheid - de cruciale output van fusie-energie per volume plasma - die de output voor conventionele beeldverhoudingen overtreft. "Fusion moet aantrekkelijker worden, "Menard zei:"Dus het is belangrijk om de voordelen van lagere beeldverhoudingen te beoordelen en wat de afwegingen zijn."