Kan tokamak fusionsanläggningar, de mest använda enheterna för att skörda fusionsreaktioner som driver solen och stjärnorna på jorden, utvecklas snabbare för att producera säkra, rena, och praktiskt taget obegränsad energi för elproduktion? Fysikern Jon Menard från US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har undersökt den frågan i en detaljerad titt på konceptet med en kompakt tokamak utrustad med högtemperatur superledande (HTS) magneter. Sådana magneter kan producera högre magnetfält - nödvändiga för att producera och upprätthålla fusionsreaktioner - än vad som annars skulle vara möjligt i en kompakt anläggning.

Menard presenterade först tidningen, nu publicerad i Filosofiska transaktioner av Royal Society A , till en Royal Society-workshop i London som undersökte att påskynda utvecklingen av tokamakproducerad fusionskraft med kompakt tokamaks. "Detta är det första dokumentet som kvantitativt dokumenterar hur de nya superledarna kan samspela med det höga tryck som kompakta tokamaker producerar för att påverka hur tokamaker optimeras i framtiden, "Menard sa." Det vi försökte utveckla var några enkla modeller som fångar viktiga aspekter av en integrerad design. "

"Mycket betydande" fynd

Fynden är "mycket viktiga, "sa Steve Cowley, direktör för PPPL. Cowley noterade att "Jons argument i detta och tidigare dokument har varit mycket inflytelserika i den senaste rapporten från National Academies of Sciences, "som kräver ett amerikanskt program för att utveckla en kompakt fusionspilotanläggning för att generera el till lägsta möjliga kostnad." Jon har verkligen beskrivit de tekniska aspekterna för mycket mindre tokamaker med hjälp av högtemperaturmagneter, "Sa Cowley.

Kompakt tokamaks, som kan inkludera sfäriska anläggningar som National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) som är under reparation hos PPPL och Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) i Storbritannien, ge några fördelaktiga funktioner. Enheterna, formad som äpplen med kärna snarare än munkliknande konventionella tokamaker, kan producera högtrycksplasma som är väsentliga för fusionsreaktioner med relativt låga och kostnadseffektiva magnetfält.

Sådana reaktioner smälter ihop ljuselement i form av plasma - det heta, materiens laddade tillstånd består av fria elektroner och atomkärnor - för att frigöra energi. Forskare försöker replikera denna process och i huvudsak skapa en stjärna på jorden för att generera riklig el till hem, gårdar, och industrier runt om i världen. Fusion kan pågå miljontals år med liten risk och utan att generera växthusgaser.

Förlänger tidigare tentamen

Menards studie förlänger hans tidigare undersökning av en sfärisk design som kan utveckla material och komponenter för en fusionsreaktor och fungera som en pilotanläggning för att producera elkraft. Det aktuella dokumentet ger en detaljerad analys av de komplexa avvägningar som framtida experiment kommer att behöva utforska när det gäller att integrera kompakta tokamaker med HTS -magneter. "Vi inser att det inte finns någon enda innovation som kan räkna med att leda till ett genombrott för att göra enheter mer kompakta eller ekonomiska, "Menard sa." Du måste titta på ett helt integrerat system för att veta om du får fördelar av högre magnetfält. "

Papperet fokuserar viktiga frågor på hålets storlek, definieras som "bildförhållande, "i mitten av tokamaken som håller och formar plasma. I sfäriska tokamaker, detta hål kan vara halva storleken på hålet i konventionella tokamaker, motsvarar den äppleformade formen av den kompakta designen. Medan fysiker tror att lägre bildförhållanden kan förbättra plasmastabilitet och plasmafängelse, "vi kommer inte att veta på interneringssidan förrän vi kör experiment på NSXT-U och MAST-uppgraderingarna, "Sa Menard.

Lägre bildförhållanden ger en attraktiv inställning för HTS -magneter, vars höga strömtäthet kan producera de starka magnetfält som fusion kräver inuti det relativt smala utrymmet i en kompakt tokamak. Dock, supraledande magneter behöver tjock skärmning för att skydda mot neutronbombardering och uppvärmning, lämnar knappt utrymme för en transformator för att inducera ström i plasma för att slutföra vridningsfältet när enhetens storlek reduceras. För konstruktioner med lägre bildförhållande, forskare skulle därför behöva utveckla nya tekniker för att producera en del eller hela den initiala plasmaströmmen.

200 till 300 megawatt elkraft

Att upprätthålla plasman för att generera 200 till 300 megawatt elkraft som papperet undersöker skulle också kräva högre inneslutning än vanliga tokamak-driftsregimer normalt uppnår. Sådan kraftproduktion kan leda till utmanande flöden av fusionsneutroner som skulle begränsa den uppskattade livslängden för HTS-magneterna till ett till två års fulleffektdrift. Tjockare avskärmning kan öka livslängden avsevärt men också sänka leveransen av fusionseffekt.

Stor utveckling kommer faktiskt att behövas för HTS -magneter, som ännu inte har byggts i skala. "Det kommer förmodligen att ta år att sammanställa en modell av de väsentliga elementen i kraven på magnetstorlek och relaterade faktorer som en funktion av bildförhållandet, "Sa Menard.

Poängen, han sa, är att det lägre bildförhållandet "verkligen är värt att undersöka utifrån dessa resultat." De potentiella fördelarna med lägre kvoter, han noterade, inkluderar produktion av fusionseffektdensitet - den avgörande effekten av fusionseffekt per volym plasma - som överstiger utmatningen för konventionella bildförhållanden. "Fusion måste bli mer attraktiv, "Menard sa, "så det är viktigt att bedöma fördelarna med lägre bildförhållanden och vad avvägningarna är."