För två och ett halvt år sedan, MIT ingick ett forskningsavtal med startföretaget Commonwealth Fusion Systems för att utveckla ett nästa generations fusionforskningsexperiment, kallas SPARC, som föregångare till en praktisk, utsläppsfritt kraftverk.

Nu, efter många månaders intensivt forsknings- och ingenjörsarbete, forskarna som är ansvariga för att definiera och förfina fysiken bakom den ambitiösa reaktordesignen har publicerat en serie artiklar som sammanfattar de framsteg de har gjort och som beskriver de viktigaste forskningsfrågorna som SPARC kommer att möjliggöra.

Övergripande, säger Martin Greenwald, biträdande chef för MIT:s Plasma Science and Fusion Center och en av projektets ledande forskare, arbetet går smidigt och på rätt spår. Denna serie papper ger ett högt förtroende för plasmafysiken och prestationsförutsägelserna för SPARC, han säger. Inga oväntade hinder eller överraskningar har dykt upp, och de återstående utmaningarna verkar vara hanterbara. Detta sätter en solid grund för enhetens funktion när den väl är konstruerad, enligt Greenwald.

Greenwald skrev inledningen till en uppsättning av sju forskningsartiklar författade av 47 forskare från 12 institutioner och publicerade idag i ett specialnummer av Journal of Plasma Physics . Tillsammans, tidningarna beskriver den teoretiska och empiriska fysikbasen för det nya fusionssystemet, som konsortiet räknar med att börja bygga nästa år.

SPARC är planerat att vara den första experimentella enheten någonsin för att uppnå en "brinnande plasma" - det vill säga, en självbärande fusionsreaktion där olika isotoper av elementet väte smälter samman för att bilda helium, utan behov av ytterligare energi. Att studera beteendet hos denna brinnande plasma - något som aldrig tidigare setts på jorden på ett kontrollerat sätt - ses som avgörande information för att utveckla nästa steg, en fungerande prototyp av en praktisk, kraftgenererande kraftverk.

Sådana fusionskraftverk kan avsevärt minska utsläppen av växthusgaser från kraftproduktionssektorn, en av de största källorna till dessa utsläpp globalt. MIT- och CFS -projektet är ett av de största privatfinansierade forsknings- och utvecklingsprojekten som någonsin genomförts inom fusionsområdet.

SPARC -designen, fast ungefär dubbelt så stor som MIT:s nu pensionerade Alcator C-Mod-experiment och liknande flera andra forskningsfusionsreaktorer som för närvarande är i drift, skulle vara mycket kraftfullare, uppnå fusionsprestanda som är jämförbar med vad som förväntas i den mycket större ITER -reaktorn som byggs i Frankrike av ett internationellt konsortium. Den höga effekten i en liten storlek möjliggörs genom framsteg i superledande magneter som möjliggör ett mycket starkare magnetfält för att begränsa den heta plasman.

SPARC -projektet lanserades i början av 2018, och arbeta på sin första etapp, utvecklingen av de superledande magneterna som gör det möjligt att bygga mindre fusionssystem, har gått fort. Den nya uppsättningen papper representerar första gången som den underliggande fysiska grunden för SPARC-maskinen har beskrivits i detalj i fackgranskade publikationer. De sju artiklarna utforskar de specifika områdena inom fysiken som måste förbättras ytterligare, och som fortfarande kräver pågående forskning för att fastställa de sista elementen i maskinkonstruktionen och de driftsprocedurer och tester som kommer att involveras när arbetet fortskrider mot kraftverket.

Tidningarna beskriver också användningen av beräkningar och simuleringsverktyg för design av SPARC, som har testats mot många experiment runt om i världen. Författarna använde banbrytande simuleringar, kör på kraftfulla superdatorer, som har utvecklats för att underlätta utformningen av ITER. Det stora multinstitutionella teamet av forskare representerade i den nya uppsättningen uppsatser syftade till att ge de bästa konsensusverktygen till SPARC-maskindesignen för att öka förtroendet för att den ska uppnå sitt uppdrag.

Analysen som gjorts hittills visar att den planerade fusionsenergiproduktionen från SPARC -reaktorn ska kunna uppfylla konstruktionsspecifikationerna med en bekväm marginal. Den är utformad för att uppnå en Q -faktor - en nyckelparameter som anger effektiviteten hos en fusionsplasma - på minst 2, vilket innebär att dubbelt så mycket fusionsenergi produceras som mängden energi som pumpas in för att generera reaktionen. Det skulle vara första gången en fusionsplasma av något slag har producerat mer energi än den förbrukade.

Beräkningarna vid denna tidpunkt visar att SPARC faktiskt kunde uppnå ett Q -förhållande på 10 eller mer, enligt de nya tidningarna. Medan Greenwald varnar för att laget vill vara försiktig så att de inte överpriser, och mycket arbete återstår, resultaten hittills tyder på att projektet åtminstone kommer att uppnå sina mål, och specifikt kommer att uppfylla sitt huvudmål att producera en brinnande plasma, där självuppvärmningen dominerar energibalansen.

Begränsningar som infördes av COVID-19-pandemin bromsade utvecklingen lite, men inte mycket, han säger, och forskarna är tillbaka i laboratorierna enligt nya riktlinjer.

Övergripande, "Vi siktar fortfarande på en byggstart i ungefär juni 2121, "Greenwald säger." Fysikinsatsen är väl integrerad med den tekniska designen. Det vi försöker göra är att sätta projektet på den fastaste möjliga fysikbasis, så att vi är säkra på hur det kommer att prestera, och sedan för att ge vägledning och svara på frågor om den tekniska designen när den fortskrider. "

Många av de fina detaljerna bearbetas fortfarande på maskindesignen, som täcker de bästa sätten att få energi och bränsle i enheten, få ut strömmen, hantera plötsliga termiska eller energitransienter, och hur och var man ska mäta viktiga parametrar för att övervaka maskinens funktion.

Än så länge, det har bara skett mindre förändringar i den övergripande designen. Reaktorns diameter har ökats med cirka 12 procent, men lite annat har förändrats, Säger Greenwald. "Det finns alltid frågan om lite mer av det här, lite mindre av det, och det är många saker som väger in i det, ingenjörsfrågor, mekaniska påfrestningar, termiska påfrestningar, och det finns också fysiken - hur påverkar du maskinens prestanda? "

Publiceringen av detta specialnummer av tidskriften, han säger, "representerar en sammanfattning, en ögonblicksbild av fysikbasen som den ser ut idag. "Även om medlemmar i teamet har diskuterat många aspekter av den på fysikmöten, "Detta är vårt första tillfälle att berätta vår historia, få det granskat, få godkännandestämpel, och lägg ut det i samhället. "

Greenwald säger att det fortfarande finns mycket att lära om fysiken för brinnande plasma, och när den här maskinen är igång, viktig information kan erhållas som hjälper till att bana väg för kommersiella, kraftproducerande fusionsanordningar, vars bränsle - väteisotoperna deuterium och tritium - kan göras tillgängliga i praktiskt taget obegränsade leveranser.

Detaljerna om den brinnande plasma "är verkligen nya och viktiga, "säger han." Det stora berget vi måste komma över är att förstå detta självuppvärmda tillstånd av en plasma. "

Övergripande, Greenwald säger, arbetet som har gått in i analysen som presenteras i detta paket med papper "hjälper till att validera vårt förtroende för att vi kommer att uppnå uppdraget. Vi har inte stött på någonting där vi säger, 'åh, detta förutsäger att vi inte kommer dit vi vill. "Kort sagt, han säger, "En av slutsatserna är att saker fortfarande ser ut på rätt spår. Vi tror att det kommer att fungera."