Potenza a emissioni zero: design del reattore a fusione

SPARC è progettato per essere il primo dispositivo sperimentale in assoluto a ottenere un "plasma ardente", una reazione di fusione autosufficiente in cui diversi isotopi dell'elemento idrogeno si fondono insieme per formare elio, senza la necessità di ulteriori input di energia.

Potenza a emissioni zero: design del reattore a fusione
Potenza a emissioni zero: design del reattore a fusione

Convalida della fisica alla base del nuovo esperimento di fusione

Due anni e mezzo fa, il MIT ha stipulato un accordo di ricerca con la startup Commonwealth Fusion Systems per sviluppare un esperimento di ricerca sulla fusione di nuova generazione, chiamato SPARC, come precursore di una centrale elettrica pratica e priva di emissioni.

Ora, dopo molti mesi di intenso lavoro di ricerca e ingegneria, i ricercatori incaricati di definire e perfezionare la fisica dietro l'ambizioso progetto del reattore hanno pubblicato una serie di documenti che riassumono i progressi che hanno fatto e delineano le domande chiave di ricerca che SPARC consentirà.

Nel complesso, afferma Martin Greenwald, vicedirettore del Plasma Science and Fusion Center del MIT e uno dei principali scienziati del progetto, il lavoro sta procedendo senza intoppi e sulla buona strada. Questa serie di articoli fornisce un alto livello di fiducia nella fisica del plasma e nelle previsioni delle prestazioni per SPARC, afferma. Non sono emersi impedimenti o sorprese impreviste e le sfide rimanenti sembrano gestibili. Questo pone una solida base per il funzionamento del dispositivo una volta costruito, secondo Greenwald.

Greenwald ha scritto l'introduzione di una serie di sette articoli di ricerca scritti da 47 ricercatori di 12 istituzioni e pubblicati oggi in un numero speciale del Journal of Plasma Physics . Insieme, i documenti delineano le basi fisiche teoriche ed empiriche per il nuovo sistema di fusione, che il consorzio prevede di iniziare a costruire il prossimo anno.

SPARC è progettato per essere il primo dispositivo sperimentale in assoluto a ottenere un "plasma ardente", ovvero una reazione di fusione autosufficiente in cui diversi isotopi dell'elemento idrogeno si fondono insieme per formare elio, senza la necessità di ulteriori input di energia. Lo studio del comportamento di questo plasma in fiamme - qualcosa di mai visto prima sulla Terra in modo controllato - è visto come un'informazione cruciale per lo sviluppo del passo successivo, un prototipo funzionante di una pratica centrale elettrica per la produzione di energia.

Tali centrali a fusione potrebbero ridurre in modo significativo le emissioni di gas a effetto serra dal settore della generazione di energia, una delle principali fonti di queste emissioni a livello globale. Il progetto MIT e CFS è uno dei più grandi progetti di ricerca e sviluppo finanziati da privati ​​mai intrapresi nel campo della fusione.

Il progetto SPARC, sebbene circa il doppio dell'esperimento Alcator C-Mod del MIT, ora in pensione e simile a molti altri reattori a fusione di ricerca attualmente in funzione, sarebbe molto più potente, raggiungendo prestazioni di fusione paragonabili a quelle attese nell'ITER molto più grande reattore in costruzione in Francia da un consorzio internazionale. L'elevata potenza in dimensioni ridotte è resa possibile dai progressi nei magneti superconduttori che consentono un campo magnetico molto più forte per confinare il plasma caldo.

Il progetto SPARC è stato lanciato all'inizio del 2018 e il lavoro sulla sua prima fase, lo sviluppo dei magneti superconduttori che consentirebbe la costruzione di sistemi di fusione più piccoli, sta procedendo a ritmo sostenuto. La nuova serie di articoli rappresenta la prima volta che le basi fisiche alla base della macchina SPARC sono state delineate in dettaglio in pubblicazioni peer-reviewed. I sette documenti esplorano le aree specifiche della fisica che dovevano essere ulteriormente perfezionate e che richiedono ancora una ricerca continua per definire gli elementi finali del progetto della macchina e le procedure operative e i test che saranno coinvolti man mano che i lavori procedono verso la centrale .

Gli articoli descrivono anche l'uso di calcoli e strumenti di simulazione per la progettazione di SPARC, che sono stati testati in molti esperimenti in tutto il mondo. Gli autori hanno utilizzato simulazioni all'avanguardia, eseguite su potenti supercomputer, che sono stati sviluppati per aiutare la progettazione di ITER. Il grande team multi-istituzionale di ricercatori rappresentato nella nuova serie di documenti mirava a portare i migliori strumenti di consenso alla progettazione delle macchine SPARC per aumentare la fiducia nel raggiungimento della sua missione.

L'analisi fatta finora mostra che la produzione di energia di fusione pianificata del reattore SPARC dovrebbe essere in grado di soddisfare le specifiche di progetto con un comodo margine di riserva. È progettato per ottenere un fattore Q - un parametro chiave che denota l'efficienza di un plasma di fusione - di almeno 2, il che significa essenzialmente che viene prodotta il doppio dell'energia di fusione rispetto alla quantità di energia pompata per generare la reazione. Quella sarebbe la prima volta che un plasma di fusione di qualsiasi tipo produce più energia di quanta ne consumi.

I calcoli a questo punto mostrano che SPARC potrebbe effettivamente raggiungere un rapporto Q di 10 o più, secondo i nuovi documenti. Mentre Greenwald avverte che il team vuole stare attento a non promettere troppo, e molto lavoro rimane, i risultati finora indicano che il progetto raggiungerà almeno i suoi obiettivi, e in particolare raggiungerà il suo obiettivo chiave di produrre un plasma ardente, in cui il sé -il riscaldamento domina l'equilibrio energetico.

I limiti imposti dalla pandemia Covid-19 hanno rallentato un po 'i progressi, ma non molto, dice, ei ricercatori sono tornati nei laboratori con nuove linee guida operative.

Nel complesso, "puntiamo ancora a iniziare la costruzione all'incirca nel giugno del '21", afferma Greenwald. "L'impegno della fisica è ben integrato con la progettazione ingegneristica. Quello che stiamo cercando di fare è mettere il progetto sulla base fisica più solida possibile, in modo da essere fiduciosi su come si esibirà, e quindi fornire indicazioni e rispondi alle domande per la progettazione ingegneristica mentre procede. "

Molti dei dettagli più fini sono ancora in fase di elaborazione sul design della macchina, coprendo i modi migliori per ottenere energia e carburante nel dispositivo, estrarre l'alimentazione, affrontare eventuali transitori termici o di potenza improvvisi e come e dove misurare i parametri chiave per monitorare il funzionamento della macchina.

Finora, ci sono state solo piccole modifiche al design generale. Il diametro del reattore è stato aumentato di circa il 12 percento, ma poco altro è cambiato, dice Greenwald. "C'è sempre la questione di un po 'di più di questo, un po' meno di quello, e ci sono molte cose che pesano su questo, problemi di ingegneria, sollecitazioni meccaniche, sollecitazioni termiche e c'è anche la fisica: come influisci sulle prestazioni della macchina? "

La pubblicazione di questo numero speciale della rivista, dice, "rappresenta un riassunto, un'istantanea delle basi fisiche così come sono oggi". Sebbene i membri del team ne abbiano discusso molti aspetti alle riunioni di fisica, "questa è la nostra prima opportunità per raccontare la nostra storia, farla rivedere, ottenere il timbro di approvazione e diffonderla nella comunità".

Greenwald afferma che c'è ancora molto da imparare sulla fisica della combustione del plasma e, una volta che questa macchina è attiva e funzionante, è possibile ottenere informazioni chiave che aiuteranno ad aprire la strada a dispositivi di fusione commerciali che producono energia, il cui combustibile - il isotopi di idrogeno, deuterio e trizio, possono essere resi disponibili in quantità pressoché illimitate.

I dettagli del plasma che brucia "sono davvero nuovi e importanti", dice. "La grande montagna che dobbiamo superare è capire questo stato autoriscaldato di un plasma".

Nel complesso, afferma Greenwald, il lavoro svolto nell'analisi presentata in questo pacchetto di documenti "aiuta a convalidare la nostra fiducia che raggiungeremo la missione. Non ci siamo imbattuti in nulla in cui diciamo," oh, questo è predire che non arriveremo dove vogliamo ". In breve, dice, "una delle conclusioni è che le cose stanno ancora andando bene. Crediamo che funzionerà".

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