Twee en een half jaar geleden, MIT is een onderzoeksovereenkomst aangegaan met het startende bedrijf Commonwealth Fusion Systems om een ​​fusieonderzoeksexperiment van de volgende generatie te ontwikkelen, genaamd SPARC, als voorloper van een praktische, emissievrije elektriciteitscentrale.

Nutsvoorzieningen, na vele maanden van intensief onderzoek en engineering, de onderzoekers die belast zijn met het definiëren en verfijnen van de fysica achter het ambitieuze reactorontwerp hebben een reeks artikelen gepubliceerd waarin ze de vooruitgang die ze hebben geboekt samenvatten en de belangrijkste onderzoeksvragen schetsen die SPARC mogelijk zal maken.

Algemeen, zegt Martin Greenwald, adjunct-directeur van MIT's Plasma Science and Fusion Center en een van de leidende wetenschappers van het project, het werk vordert vlot en op schema. Deze reeks artikelen biedt een hoog niveau van vertrouwen in de plasmafysica en de prestatievoorspellingen voor SPARC, hij zegt. Er zijn geen onverwachte belemmeringen of verrassingen opgetreden, en de resterende uitdagingen lijken beheersbaar. Dit vormt een solide basis voor de werking van het apparaat als het eenmaal is gebouwd, volgens Greenwald.

Greenwald schreef de inleiding voor een reeks van zeven onderzoekspapers, geschreven door 47 onderzoekers van 12 instellingen en vandaag gepubliceerd in een speciale uitgave van de Journal of Plasma Physics . Samen, de papers schetsen de theoretische en empirische fysica basis voor het nieuwe fusiesysteem, die het consortium volgend jaar verwacht te gaan bouwen.

Het is de bedoeling dat SPARC het eerste experimentele apparaat wordt dat ooit een "brandend plasma" heeft bereikt, dat wil zeggen:een zichzelf in stand houdende fusiereactie waarbij verschillende isotopen van het element waterstof samensmelten tot helium, zonder dat er nog meer energie nodig is. Het bestuderen van het gedrag van dit brandende plasma - iets dat nog nooit eerder op aarde op een gecontroleerde manier is gezien - wordt gezien als cruciale informatie voor het ontwikkelen van de volgende stap, een werkend prototype van een praktisch, elektriciteitscentrale.

Dergelijke fusiecentrales kunnen de uitstoot van broeikasgassen door de elektriciteitsproductiesector aanzienlijk verminderen, een van de belangrijkste bronnen van deze emissies wereldwijd. Het MIT- en CFS-project is een van de grootste privaat gefinancierde onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten die ooit op fusiegebied zijn ondernomen.

Het SPARC-ontwerp, hoewel ongeveer twee keer zo groot als het nu gepensioneerde Alcator C-Mod-experiment van MIT en vergelijkbaar met verschillende andere onderzoeksfusiereactoren die momenteel in bedrijf zijn, zou veel krachtiger zijn, het bereiken van fusieprestaties die vergelijkbaar zijn met die verwacht in de veel grotere ITER-reactor die in Frankrijk wordt gebouwd door een internationaal consortium. Het hoge vermogen in een klein formaat wordt mogelijk gemaakt door vooruitgang in supergeleidende magneten die een veel sterker magnetisch veld mogelijk maken om het hete plasma op te sluiten.

Het SPARC-project werd begin 2018 gelanceerd, en werken aan de eerste fase, de ontwikkeling van de supergeleidende magneten waarmee kleinere fusiesystemen kunnen worden gebouwd, is gestaag doorgegaan. De nieuwe reeks artikelen is de eerste keer dat de onderliggende natuurkundige basis voor de SPARC-machine in detail is geschetst in peer-reviewed publicaties. De zeven papers onderzoeken de specifieke gebieden van de fysica die verder moesten worden verfijnd, en die nog steeds doorlopend onderzoek vergen om de laatste elementen van het machineontwerp en de bedieningsprocedures en tests vast te stellen die nodig zullen zijn naarmate het werk vordert in de richting van de energiecentrale.

De papers beschrijven ook het gebruik van berekeningen en simulatietools voor het ontwerp van SPARC, die zijn getest tegen vele experimenten over de hele wereld. De auteurs gebruikten geavanceerde simulaties, draaien op krachtige supercomputers, die zijn ontwikkeld om het ontwerp van ITER te ondersteunen. Het grote multi-institutionele team van onderzoekers dat vertegenwoordigd is in de nieuwe reeks papers, had tot doel de beste consensustools voor het SPARC-machineontwerp te brengen om het vertrouwen te vergroten dat het zijn missie zal bereiken.

De analyse die tot nu toe is uitgevoerd, toont aan dat de geplande fusie-energie-output van de SPARC-reactor moet kunnen voldoen aan de ontwerpspecificaties met een comfortabele marge. Het is ontworpen om een ​​Q-factor te bereiken - een belangrijke parameter die de efficiëntie van een fusieplasma aangeeft - van ten minste 2, in wezen betekent dat twee keer zoveel fusie-energie wordt geproduceerd als de hoeveelheid energie die wordt ingepompt om de reactie op te wekken. Dat zou de eerste keer zijn dat een fusieplasma van welke aard dan ook meer energie heeft geproduceerd dan het heeft verbruikt.

De berekeningen op dit punt laten zien dat SPARC daadwerkelijk een Q-ratio van 10 of meer zou kunnen bereiken, volgens de nieuwe papieren. Terwijl Greenwald waarschuwt dat het team wil oppassen niet te veel te beloven, en nog veel werk, de resultaten tot dusver geven aan dat het project in ieder geval zijn doelen zal bereiken, en specifiek zal voldoen aan zijn belangrijkste doelstelling om een ​​brandend plasma te produceren, waarbij de zelfverhitting de energiebalans domineert.

Beperkingen opgelegd door de COVID-19-pandemie vertraagden de voortgang een beetje, maar niet veel, hij zegt, en de onderzoekers zijn terug in de laboratoria onder nieuwe operationele richtlijnen.

Algemeen, "we streven nog steeds naar een start van de bouw in ongeveer juni '21, " zegt Greenwald. "De natuurkundige inspanning is goed geïntegreerd met het technische ontwerp. Wat we proberen te doen is het project op een zo stevig mogelijke natuurkundige basis te zetten, zodat we zeker zijn over hoe het gaat presteren, en vervolgens om begeleiding te bieden en vragen te beantwoorden voor het technische ontwerp terwijl het vordert."

Veel van de fijne details worden nog uitgewerkt aan het ontwerp van de machine, over de beste manieren om energie en brandstof in het apparaat te krijgen, de stroom eruit halen, omgaan met plotselinge thermische of stroompieken, en hoe en waar de belangrijkste parameters moeten worden gemeten om de werking van de machine te bewaken.

Tot dusver, er zijn slechts kleine wijzigingen in het algehele ontwerp geweest. De diameter van de reactor is met ongeveer 12 procent vergroot, maar verder is er weinig veranderd, zegt Greenwald. "Er is altijd de vraag van een beetje meer van dit, iets minder van dat, en er zijn veel dingen die daarin meewegen, technische problemen, mechanische spanningen, thermische spanningen, en er is ook de fysica - hoe beïnvloedt u de prestaties van de machine?"

De publicatie van dit speciale nummer van het tijdschrift, hij zegt, "vertegenwoordigt een samenvatting, een momentopname van de natuurkundige basis zoals die er nu uitziet." Hoewel leden van het team veel aspecten ervan hebben besproken tijdens natuurkundige vergaderingen, "Dit is onze eerste kans om ons verhaal te vertellen, laat het beoordelen, het stempel van goedkeuring krijgen, en zet het in de gemeenschap."

Greenwald zegt dat er nog veel te leren valt over de fysica van het verbranden van plasma's, en als deze machine eenmaal aan de gang is, belangrijke informatie kan worden verkregen die de weg zal vrijmaken voor commerciële, energieproducerende fusie-apparaten, waarvan de brandstof - de waterstofisotopen deuterium en tritium - in vrijwel onbeperkte voorraden beschikbaar kan worden gesteld.

De details van het brandende plasma "zijn echt nieuw en belangrijk, "zegt hij. "De grote berg die we moeten overwinnen is om deze zelfverwarmde toestand van een plasma te begrijpen."

Algemeen, Greenwald zegt, het werk dat is gestoken in de analyse die in dit pakket documenten wordt gepresenteerd "helpt ons vertrouwen te valideren dat we de missie zullen bereiken. We zijn niets tegengekomen waarvan we zeggen, 'Oh, dit voorspelt dat we niet zullen komen waar we willen." hij zegt, "een van de conclusies is dat de zaken er nog steeds op schema uitzien. We geloven dat het gaat werken."