Un esercizio di classe al MIT, coadiuvato da ricercatori del settore, ha portato a una soluzione innovativa a una delle sfide di lunga data che devono affrontare lo sviluppo di centrali elettriche a fusione pratiche:come eliminare il calore in eccesso che causerebbe danni strutturali all'impianto.

La nuova soluzione è stata resa possibile da un approccio innovativo ai reattori a fusione compatti, utilizzando magneti superconduttori ad alta temperatura. Questo metodo ha costituito la base per un nuovo e massiccio programma di ricerca lanciato quest'anno al MIT e la creazione di una startup indipendente per sviluppare il concetto. Il nuovo disegno, a differenza di quella dei tipici impianti a fusione, consentirebbe di aprire la camera interna del dispositivo e sostituire componenti critici; questa capacità è essenziale per il meccanismo di drenaggio del calore appena proposto.

Il nuovo approccio è dettagliato in un articolo sulla rivista Ingegneria e progettazione della fusione , scritto da Adam Kuang, uno studente laureato di quella classe, insieme ad altri 14 studenti del MIT, ingegneri di Mitsubishi Electric Research Laboratories e Commonwealth Fusion Systems, e il professor Dennis Whyte, direttore del Plasma Science and Fusion Center del MIT, che insegnava alla classe.

In sostanza, Whyte spiega, lo spargimento di calore dall'interno di un impianto di fusione può essere paragonato al sistema di scarico di un'auto. Nel nuovo disegno, il "tubo di scarico" è molto più lungo e più largo di quanto sia possibile in uno qualsiasi degli odierni progetti di fusione, rendendolo molto più efficace nel dissipare il calore indesiderato. Ma l'ingegneria necessaria per renderlo possibile ha richiesto una grande quantità di analisi complesse e la valutazione di molte dozzine di possibili alternative di progettazione.

Plasma di fusione addomesticante

La fusione sfrutta la reazione che alimenta il sole stesso, mantenendo la promessa di produrre alla fine pulito, abbondante elettricità utilizzando un combustibile derivato dall'acqua di mare:deuterio, una forma pesante di idrogeno, e litio, quindi la fornitura di carburante è essenzialmente illimitata. Ma decenni di ricerca verso tali impianti di produzione di energia non hanno ancora portato a un dispositivo che produce tanta energia quanta ne consuma, molto meno uno che produce effettivamente una produzione di energia netta.

All'inizio di quest'anno, però, La proposta del MIT per un nuovo tipo di impianto di fusione, insieme a molti altri progetti innovativi esplorati da altri, ha finalmente fatto sembrare a portata di mano l'obiettivo della potenza di fusione pratica. Ma restano da risolvere diverse sfide progettuali, compreso un modo efficace per dissipare il calore interno dal super-caldo, materiale caricato elettricamente, chiamato plasma, confinato all'interno del dispositivo.

La maggior parte dell'energia prodotta all'interno di un reattore a fusione viene emessa sotto forma di neutroni, che riscaldano un materiale che circonda il plasma di fusione, chiamato coperta. In un impianto di produzione di energia, quella coperta riscaldata verrebbe a sua volta utilizzata per azionare una turbina generatrice. Ma circa il 20% dell'energia viene prodotta sotto forma di calore nel plasma stesso, che in qualche modo deve essere dissipato per evitare che sciolga i materiali che formano la camera.

Nessun materiale è abbastanza forte da resistere al calore del plasma all'interno di un dispositivo di fusione, che raggiunge temperature di milioni di gradi, quindi il plasma è tenuto in posizione da potenti magneti che gli impediscono di entrare mai in contatto diretto con le pareti interne della camera di fusione a forma di ciambella. Nei tipici progetti di fusione, un set separato di magneti viene utilizzato per creare una sorta di camera laterale per drenare il calore in eccesso, ma questi cosiddetti deviatori sono insufficienti per il calore elevato nel nuovo, pianta compatta.

Una delle caratteristiche desiderabili del progetto ARC è che produrrebbe energia in un dispositivo molto più piccolo di quanto sarebbe richiesto da un reattore convenzionale della stessa uscita. Ma questo significa più potenza confinata in uno spazio più piccolo, e quindi più calore di cui liberarsi.

"Se non abbiamo fatto nulla per lo scarico del calore, il meccanismo si farebbe a pezzi, "dice Kuang, chi è l'autore principale dell'articolo, descrivendo la sfida che il team ha affrontato e infine risolto.

Lavoro interno

Nei progetti di reattori a fusione convenzionali, le bobine magnetiche secondarie che creano il deviatore sono esterne a quelle primarie, perché semplicemente non c'è modo di mettere queste bobine all'interno delle bobine primarie solide. Ciò significa che le bobine secondarie devono essere grandi e potenti, per far penetrare i loro campi nella camera, e di conseguenza non sono molto precisi nel modo in cui controllano la forma del plasma.

Ma il nuovo design originato dal MIT, noto come ARC (per avanzato, robusto, e compatto) è dotato di magneti integrati nelle sezioni in modo che possano essere rimossi per la manutenzione. Ciò consente di accedere a tutto l'interno e posizionare i magneti secondari all'interno delle bobine principali anziché all'esterno. Con questo nuovo assetto, "semplicemente avvicinandoli [al plasma] possono essere significativamente ridotti di dimensioni, "dice Kuang.

Nella classe di laurea magistrale 22.63 (Principi di ingegneria della fusione), gli studenti sono stati divisi in squadre per affrontare diversi aspetti della sfida del rifiuto del calore. Ogni squadra ha iniziato facendo una ricerca approfondita della letteratura per vedere quali concetti erano già stati provati, poi hanno fatto un brainstorming per elaborare più concetti e gradualmente hanno eliminato quelli che non hanno funzionato. Quelli che avevano promesso sono stati sottoposti a calcoli e simulazioni dettagliati, basato, in parte, sui dati di decenni di ricerca sui dispositivi di ricerca per la fusione come Alcator C-Mod del MIT, che è stato ritirato due anni fa. Lo scienziato C-Mod Brian LaBombard ha anche condiviso approfondimenti su nuovi tipi di divertori, e anche due ingegneri di Mitsubishi hanno lavorato con il team. Molti degli studenti hanno continuato a lavorare al progetto dopo la fine della lezione, che alla fine porta alla soluzione descritta in questo nuovo documento. Le simulazioni hanno dimostrato l'efficacia del nuovo design su cui si sono stabiliti.

"È stato davvero emozionante, quello che abbiamo scoperto, " Dice Whyte. Il risultato sono deviatori più lunghi e più grandi, e che mantengono il plasma più precisamente controllato. Di conseguenza, possono gestire i carichi di calore intensi previsti.

"Vuoi rendere il 'tubo di scarico' il più grande possibile, " Whyte dice, spiegando che il posizionamento dei magneti secondari all'interno di quelli primari lo rende possibile. "È davvero una rivoluzione per il design di una centrale elettrica, " dice. Non solo i superconduttori ad alta temperatura utilizzati nei magneti del design ARC consentono un compatto, centrale elettrica ad alta potenza, lui dice, "ma forniscono anche molte opzioni" per ottimizzare il design in modi diversi, tra cui, si scopre, questo nuovo design del deviatore.

Andando avanti, ora che il concetto di base è stato sviluppato, c'è molto spazio per ulteriori sviluppi e ottimizzazioni, compresa la forma esatta e il posizionamento di questi magneti secondari, dice la squadra. I ricercatori stanno lavorando per sviluppare ulteriormente i dettagli del design.

"Questo sta aprendo nuove strade nel pensare ai deviatori e alla gestione del calore in un dispositivo di fusione, " dice Whyte.