En klassövning på MIT, med hjälp av industriforskare, har lett till en innovativ lösning på en av de långvariga utmaningarna som utvecklingen av praktiska fusionskraftverk står inför:hur man blir av med överskottsvärme som skulle orsaka strukturella skador på anläggningen.

Den nya lösningen möjliggjordes av en innovativ metod för kompakta fusionsreaktorer, med hjälp av supraledande magneter med hög temperatur. Denna metod låg till grund för ett massivt nytt forskningsprogram som lanserades i år vid MIT och skapandet av ett oberoende startup-företag för att utveckla konceptet. Den nya designen, till skillnad från typiska fusionsväxter, skulle göra det möjligt att öppna enhetens inre kammare och byta ut kritiska komponenter; denna förmåga är väsentlig för den nyligen föreslagna värmeavledningsmekanismen.

Det nya tillvägagångssättet beskrivs i en artikel i tidskriften Fusionsteknik och design , författad av Adam Kuang, en doktorand från den klassen, tillsammans med 14 andra MIT-studenter, ingenjörer från Mitsubishi Electric Research Laboratories och Commonwealth Fusion Systems, och professor Dennis Whyte, chef för MIT:s Plasma Science and Fusion Center, som undervisade klassen.

I huvudsak, Whyte förklarar, värmeavgivandet från insidan av en fusionsanläggning kan jämföras med avgassystemet i en bil. I den nya designen, "avgasröret" är mycket längre och bredare än vad som är möjligt i någon av dagens fusionskonstruktioner, vilket gör det mycket mer effektivt för att avleda den oönskade värmen. Men den teknik som behövdes för att göra det möjligt krävde en hel del komplex analys och utvärdering av många dussintals möjliga designalternativ.

Tämja fusionsplasma

Fusion utnyttjar reaktionen som driver solen själv, håller löftet om att så småningom producera rent, riklig elektricitet som använder ett bränsle som härrör från havsvatten - deuterium, en tung form av väte, och litium – så bränsletillförseln är i princip obegränsad. Men årtionden av forskning mot sådana kraftproducerande anläggningar har fortfarande inte lett till en enhet som producerar lika mycket ström som den förbrukar, mycket mindre en som faktiskt producerar en nettoenergiproduktion.

Tidigare i år, dock, MIT:s förslag på en ny typ av fusionsanläggning – tillsammans med flera andra innovativa konstruktioner som utforskas av andra – fick till sist målet med praktisk fusionskraft att verka inom räckhåll. Men flera designutmaningar återstår att lösa, inklusive ett effektivt sätt att avleda den inre värmen från det superheta, elektriskt laddat material, kallas plasma, instängd i enheten.

Det mesta av energin som produceras inuti en fusionsreaktor släpps ut i form av neutroner, som värmer ett material som omger smältplasman, kallas en filt. I en kraftproducerande anläggning, den uppvärmda filten skulle i sin tur användas för att driva en genererande turbin. Men cirka 20 procent av energin produceras i form av värme i själva plasman, som på något sätt måste skingras för att förhindra att det smälter materialen som bildar kammaren.

Inget material är tillräckligt starkt för att motstå värmen från plasman inuti en fusionsenhet, som når temperaturer på miljoner grader, så plasman hålls på plats av kraftfulla magneter som förhindrar att den någonsin kommer i direkt kontakt med den munkformade fusionskammarens innerväggar. I typiska fusionsdesigner, en separat uppsättning magneter används för att skapa en slags sidokammare för att tappa bort överskottsvärme, men dessa så kallade avledningar är otillräckliga för den höga värmen i den nya, kompakt växt.

En av de önskvärda egenskaperna hos ARC-konstruktionen är att den skulle producera ström i en mycket mindre anordning än vad som skulle krävas från en konventionell reaktor med samma effekt. Men det betyder mer kraft i ett mindre utrymme, och därmed mer värme att bli av med.

"Om vi ​​inte gjorde något åt ​​värmeavloppet, mekanismen skulle slita isär sig själv, säger Kuang, vem är huvudförfattaren till tidningen, som beskriver utmaningen som teamet tog sig an – och till slut löste.

Insidejobb

I konventionella fusionsreaktorkonstruktioner, de sekundära magnetspolarna som skapar avledaren ligger utanför de primära, eftersom det helt enkelt inte finns något sätt att placera dessa spolar inuti de solida primärspolarna. Det betyder att de sekundära spolarna måste vara stora och kraftfulla, för att få sina åkrar att tränga in i kammaren, och som ett resultat är de inte särskilt exakta i hur de kontrollerar plasmaformen.

Men den nya MIT-ursprungliga designen, känd som ARC (för avancerad, robust, och kompakt) har magneter inbyggda i sektioner så att de kan tas bort för service. Detta gör det möjligt att komma åt hela interiören och placera sekundärmagneterna inuti huvudspolarna istället för utanför. Med detta nya arrangemang, "bara genom att flytta dem närmare [plasman] kan de reduceras avsevärt i storlek, säger Kuang.

I en termins examensklass 22.63 (Principles of Fusion Engineering), eleverna delades in i team för att ta itu med olika aspekter av värmeavvisningsutmaningen. Varje team började med att göra en grundlig litteratursökning för att se vilka koncept som redan prövats, sedan brainstormade de för att komma på flera koncept och eliminerade gradvis de som inte lyckades. De som hade lovat utsattes för detaljerade beräkningar och simuleringar, baserad, till viss del, om data från årtionden av forskning om forskningsfusionsenheter som MIT:s Alcator C-Mod, som gick i pension för två år sedan. C-Mod-forskaren Brian LaBombard delade också med sig av insikter om nya typer av avledare, och två ingenjörer från Mitsubishi arbetade också med teamet. Flera av eleverna fortsatte att arbeta med projektet efter klassens slut, i slutändan leder till den lösning som beskrivs i detta nya dokument. Simuleringarna visade effektiviteten av den nya designen de satte sig för.

"Det var riktigt spännande, vad vi upptäckte, " säger Whyte. Resultatet är avledare som är längre och större, och som håller plasman mer exakt kontrollerad. Som ett resultat, de kan hantera de förväntade intensiva värmebelastningarna.

"Du vill göra 'avgasröret' så stort som möjligt, "Whyte säger, förklarar att placeringen av de sekundära magneterna inuti de primära gör det möjligt. "Det är verkligen en revolution för en kraftverksdesign, " säger han. Inte bara möjliggör de högtemperatursupraledare som används i ARC-designens magneter en kompakt, starkt kraftverk, han säger, "men de ger också många alternativ" för att optimera designen på olika sätt – inklusive, det visar sig, denna nya avledardesign.

Går framåt, nu när grundkonceptet har utvecklats, det finns gott om utrymme för vidareutveckling och optimering, inklusive den exakta formen och placeringen av dessa sekundära magneter, säger laget. Forskarna arbetar med att vidareutveckla detaljerna i designen.

"Detta öppnar nya vägar för att tänka på avledningar och värmehantering i en fusionsenhet, " säger Whyte.