Den växande känslan av brådska kring utveckling av fusionsteknik för energiproduktion i USA fick ytterligare ett uppsving denna vecka med släppet av en gemenskapskonsensusrapport av en mångfaldig grupp forskare från den akademiska världen, statliga labb, och industri. Högt bland dess rekommendationer är utvecklingen av ett pilotfusionskraftverk, ett ambitiöst mål som skulle vara ett viktigt steg mot en amerikansk fusionsenergiindustri.

Rapporten – den första i sitt slag på nästan 20 år och produkten av en ny 15-månaders samarbetsprocess – identifierar högprioriterade vetenskapliga behov som kan hjälpa till att fylla luckor i fusionskunskap och underlätta strävan att göra fusion till en praktisk energikälla. Den kommer att användas av U.S. Department of Energys rådgivande kommitté för Fusion Energy Sciences (FESAC) när den genomför en ny fas av strategisk planering för sitt Fusion Energy Sciences-program, den primära amerikanska källan till finansiering av fusionsforskning.

Om framgångsrikt utnyttjas, fusion skulle i grunden förändra världens energinät genom att erbjuda säkra, riklig, kolfri elproduktion.

Cirka 300 medlemmar av fusionsgemenskapen klubbade fram sitt samförstånd under tre stora workshopmöten och hundratals online arbetsgruppssessioner, med hjälp av en anonym röstningsprocess som gav alla deltagare chansen att uttrycka sig fritt. De högsta energirelaterade prioriteringarna inkluderar:

• utveckling av en delad neutronkälla som kan användas för utveckling av kritiska material och kraftverksdesigner;
• fortsatt odling av brinnande plasmafysikkunskap genom pågående deltagande i det internationella ITER-programmet och utökat offentlig-privat samarbete i USA; och
• Omedelbar pre-konceptuell design av en ny amerikansk tokamak-anläggning, som skulle börja fungera i slutet av årtiondet och stödja arbetet med kraftutvinning från avgasvärme och plasmauppehåll.

Dessutom identifierades flera "möjligheter och forskningsbehov" som är allmänt tillämpliga inom fusions- och plasmafälten:användning av avancerad datorteknik för bättre förståelse och modellering; utveckling av förbättrad plasmadiagnostik; ökat stöd för offentlig-privata partnerskap; och omfamna mångfald, rättvisa, och inkludering, tillsammans med utveckling av en mer tvärvetenskaplig arbetsstyrka.

"Det här är första gången i en generation när fusionsgemenskapen har uppmanats att självorganisera och räkna ut sina högsta prioriteringar för att ta sig från fusionsvetenskap till fusionsenergi, säger Bob Mumgaard, verkställande direktör för MIT spinout Commonwealth Fusion Systems (CFS), ett av ett växande antal privata företag som strävar efter fusion. "Hur vi kan göra oss redo, med data, erfarenhet, testanläggningar – de saker som behövs för att stödja vetenskapen, och så småningom en industri.

"The National Academies of Science (NAS) utfärdade en bra rapport [i slutet av 2018], som sa att vi borde vara djärva och göra fusion nu och skapa testanläggningar, ", tillägger Mumgaard. "Men det här är annorlunda eftersom det är hela samhället, kommer samman i en mycket transparent gräsrotsansträngning för att svara på frågor om vad vi gör, vad behöver göras, och vad vi är villiga att inte göra. Det gjordes inte i ett bakrum utan av forskarna själva, och de kom ut med en plan och prioriteringar – det är lite coolt."

Nathan Howard, en forskare vid MIT:s Plasma Science and Fusion Center, var en av sju medordförande som delade utvecklingsövervakningen av rapporten, som kommer att användas för att utveckla långsiktiga strategiska planer för fusionsvetenskapsprogram som svar på en FESAC-förfrågan utfärdad i november 2018.

"The American Physical Society Division of Plasma Physics tog ledningen och samlade oss sju för att samla in data från samhället, " förklarar Howard. Förutom fusionsenergi, ansträngningen genererade också omfattande rekommendationer för Discovery Plasma Science, ett mångsidigt område av mer grundläggande forskning med inverkan inom astrofysik, plasmafysik med hög energidensitet, och andra discipliner.

En viktig utveckling på vägen var skapandet av djupare kopplingar mellan gruppen fokuserad på magnetisk inneslutningsfusion och den som fokuserade på fusionsrelaterade material och teknologier.

"Det var verkligen inte vettigt att de skulle vara separata, ", konstaterar Howard. "Sammanslagningen skedde naturligt under processen och motiverades delvis av rapporten om NAS-brännplasma, som sa att USA borde fortsätta bygga en fusionspilotanläggning, en reaktor som kommer att demonstrera skapandet av elektricitet från fusion och en sluten fusionsbränslecykel. Fusionsgemenskapen antog byggandet av en pilotanläggning som sitt uppdrag under processen"

Även om ytterligare plasmaforskning är viktig för att uppnå det målet, tillägger Howard, "samhället insåg ganska tydligt att vi behöver lägga större vikt vid fusionsmaterial och teknologi. Där vi saknar mest framstegen mot ett kraftverk är områden som designen av filten [området kring reaktorn, används för att odla fusionsbränsle] och fusionsrelevanta material."

Många av de utestående materialproblemen är tillämpliga inte bara på magnetisk inneslutningsfusion, inklusive de tokamak-typ reaktorer som har fått mest uppmärksamhet i utvecklingen hittills, men också till tröghetsinneslutning och andra tillvägagångssätt, som erbjuder olika möjligheter och utmaningar.

Rapportens officiella mottagare är en FESAC-underkommitté som leds av Troy Carter, professor i fysik vid University of California i Los Angeles och chef för universitetets Basic Plasma Science Facility och Plasma Science and Technology Institute. Han berömde Howard och de andra medordförandena för att "jobba otroligt hårt för att organisera insatsen och föra samman så många människor. Rapporten är mycket övertygande, och hela samhället bör berömmas – detta är ett exempel för framtida iterationer av processen och gör jobbet för min underkommitté mycket enklare."

Särskilt, säger Carter, "Juniormedlemmarna i samhället tog verkligen fart. Medordförandena är för det mesta juniorer och personer i mitten av karriären, och det är viktigt att det är deras plan, eftersom med tanke på tidsskalan, det är de som implementerar det."

Carter noterar att medan han visste att konceptet med att köra aggressivt mot en pilotanläggning hade stöd, "Jag blev lite förvånad över hur starkt det omfamnades i processen. Det är ambitiöst, och det pekar oss i riktning mot att använda innovation för att få fusionsenergi till nätet mycket snabbare. Det finns fortfarande mycket arbete att göra inom kärnplasmafysik, men vi måste också börja arbeta med material och annan teknik, som vi inte anstränger oss tillräckligt mycket för nu. Det är uppfriskande att se det breda stödet för att byta riktning."

Carters grupp kommer nu att införliva rapportens resultat i strategiska planer som återspeglar flera budgetscenarier som den har fått.

"Vi ska lägga upp det hela för att ta tillvara på möjligheterna inom vetenskapen och driva mot målet att förverkliga en pilotanläggning. Vi har riktigt bra information om initiativ och vägledning om prioritering, " säger han. "Men många av initiativen är inte på nivån för konceptuell design, så vi måste jobba lite för att ta reda på vad de kommer att kosta. Vi har projektledningsexperter att arbeta med, och även personer från den privata sidan – vi har tre medlemmar kopplade till privata fusionsföretag, och kommer också att engagera andra externa synpunkter."

Den processen förväntas ta cirka åtta månader, säger Carter, Resultaten skickas till FESAC vid årsskiftet. Efter en omröstning, det skulle bli FESAC:s officiella råd till energidepartementet. "Det är något som många människor i kongressen är intresserade av, " konstaterar Carter.

CFS:s Mumgaard säger att rapportens leverans kan visa sig vara ett nyckelögonblick för USA, med potential att leda till en ny fusionspolitik, Kongressens åtgärder för att stödja den begynnande fusionsindustrin och förbereda för licensiering och reglering av kraftverk, och pågående finansiering som skulle ge akademiska och nationella laboratorieledare förtroende att anställa personal och bygga infrastruktur. "Det känns som att saker går åt rätt håll, " säger han. "Forskarsamhället måste tala med en röst, och det här är processen som skapar den rösten."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.