Fusion analysis suggests promise for smaller, cheaper reactors /  Analisi sulla fusione suggerisce la promessa per più piccoli reattori, meno costosi.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Joseph Cotellessa

New analysis of experimental plasma containment devices suggests that making energy from nuclear fusion might not require the building of enormous, complicated fusion reactors.

Alan Costley, a physicist working for the company Tokomak Solutions in Culham, Oxfordshire, has written a paper in the journal Nuclear Fusion which suggests that there may only be a weak link between the size of a magnetic-confinement fusion reactor and the point at which it produces more power than it takes to operate.

Until now, most fusion research has focused on the principle that ‘bigger is better’. The best-researched and most advanced form of nuclear fusion device is the tokamak, a toroidal (doughnut-shaped) vacuum vessel surrounded by powerful electromagnets that both confine a hydrogen plasma (a mixture of different isotopes of hydrogen, in a state where their charged nuclei are separated from their associated electrons) and force the plasma particles to circulate around the torus. The combination of the magnetic squeezing and the speed of the particles (to which other devices also contribute) forces the nuclei to collide at high energies, fusing together to form helium nuclei and releasing a burst of energy.

The problem is that powering the electromagnets and heating the plasma requires a large energy input; so much that, to get to the point where fusiuon occurs, the energy input far outweighs the energy output. Current projects are using superconducting materials to form the electromagnets, to reduce the power requirement for the magnetic field. But it has been thought that even with this technology, a large volume of plasma was still needed to produce enough fusion to increase the power output. This has led to projects such as ITER, the international attempt to build the world’s largest tokamak to date, twice as large as its predecessor. However, ITER is a vastly complex and expensive undertaking which is already behind its original schedule. 

Costley’s analysis contradicts this thinking. Taking data from the operation of the largest currently-operating tokamak, JET at Culham, and experimental ‘spherical’ tokamaks (so called because the ‘hole’ in the doughnut is very much smaller than the overall diameter) at the same site, Costley looked at how power output depends on size, plasma current and magnetic field strength, and combined this with the ‘operational limits’ which dictate the plasma conditions needed for ther best results. This, he claims, shows that tokamak performance doesn’t depend on size.

“The implications for the design of pilot plants and reactors are significant and potentially positive,” he said. “Providing sufficient fusion power and in-vessel power handling capabilities can be achieved, relatively small devices can have a high fusion gain. Such devices would open the possibility of a much faster development path and also, perhaps, lead to fusion reactors based on multiple modules rather than one large power unit.” This would mean that the path to fusion is potentially cheaper and less costly than had previously been thought: Costley estimates that, with development accelerating on high-temperature superconductors and neutron-absorbing materials, commercial fusion could be ten years off, rather than the oft-quoted three decades.

Dr David Kingham, chief executive of Tokamak Energy, said: “This work by Dr Alan Costley is further validation for our approach of accelerating the development of fusion power; our earlier paper looking at small scale fusion reactors  published in 2015 is the most downloaded paper in the history of the journal and has set in motion this fundamental shift in tokamak fusion science.  We will make fast progress by keeping devices small, using the efficient spherical tokamak shape and by using the latest generation of high temperature superconductors to generate the strong magnetic fields necessary while reducing the energy input. This work adds further weight to our ideas for compact 100MW fusion power modules. They are shown to be feasible from a physics perspective and are now primarily a materials and engineering challenge.”

ITALIANO

Una nuova analisi di dispositivi sperimentali di contenimento del plasma suggerisce che per ottenere l'energia da fusione nucleare potrebbe non richiedere la costruzione di enormi e complicati reattori a fusione.

Alan Costley, un fisico che lavora per l'azienda Tokomak Solutions a Culham, Oxfordshire, ha scritto un articolo sulla rivista Fusione nucleare che suggerisce che ci potrebbe essere solo un anello debole tra le dimensioni di un reattore a fusione a confinamento magnetico e il punto in cui produce più potenza di quello che è necessario per realizzarla.

Fino ad ora, la maggior parte ricerca sulla fusione si è concentrata sul principio che 'più grande è meglio'. La forma più studiata e più avanzata del dispositivo di fusione nucleare è il tokamak, un toroidale (a forma di ciambella) da vuoto circondato da elettromagneti potenti che limitano un plasma di idrogeno (una miscela di diversi isotopi di idrogeno, in uno stato in cui la loro carica nucleare è separata dai loro elettroni associati) e costringono le particelle di plasma a circolare intorno al toro. La combinazione della costrizione magnetica e la velocità delle particelle (a cui anche altri dispositivi contribuiscono) costringe i nuclei a scontrarsi ad alte energie, fondendo insieme per formare nuclei di elio e rilasciando un lampo di energia.

Il problema è che alimentare gli elettromagneti e riscaldare il plasma richiede un grande apporto energetico; tanto che, per arrivare al punto in cui si verifica la fusione, l'assorbimento di energia supera di gran lunga la produzione di energia. Progetti attuali utilizzano materiali superconduttori per formare gli elettromagneti, per ridurre la potenza richiesta per il campo magnetico. Ma si è pensato che anche con questa tecnologia, un grande volume di plasma era ancora necessaria per produrre abbastanza fusione per aumentare la potenza. Ciò ha portato a progetti come ITER, il tentativo internazionale per costruire il più grande tokamak del mondo fino ad oggi, due volte più grande del suo predecessore. Tuttavia, ITER è un impegno estremamente complesso e costoso, che è già indietro rispetto al suo programma originale.

L'analisi di Costley contraddice questo pensiero. Prendendo i dati dal funzionamento del più grande tokamak attualmente operativo, JET a Culham, e dello sperimentale tokamak 'sferica' (così chiamato perché il 'buco' nel ciambella è molto molto più piccolo del diametro complessivo) nello stesso sito, Costley ritiene come la potenza dipenda dalla dimensione, dalla corrente di plasma e dalla forza del campo magnetico, e bisogna combinare questo con i "limiti operativi" che dettano le condizioni necessarie per migliori risultati. Questo, sostiene, dimostra che le prestazioni del tokamak non dipende dimensioni.

"Le implicazioni per la progettazione di impianti pilota e reattori sono significativi e potenzialmente positivi", ha detto. "Fornire energia da fusione sufficiente e la capacità di gestione di potenza possono essere raggiunte, e relativamente piccoli dispositivi possono avere un guadagno elevato di fusione. Tali dispositivi aprono la possibilità di un percorso di sviluppo molto più veloce e forse è possibile anche portare a reattori a fusione basate su moduli multipli piuttosto che una unità di alimentazione di grandi dimensioni. "Ciò significa che il percorso per la realizzazione della fusione è potenzialmente più economico e meno costoso come in precedenza è stato pensato: Costley stima che, con lo sviluppo accelerato dei superconduttori ad alta temperatura e materiali di neutroni di assorbimento, la fusione commerciale potrebbe avvenire in dieci anni fuori, piuttosto che negli spesso citati tre decenni.

Il dottor David Kingham, amministratore delegato di Tokamak Energia, ha dichiarato: "Questo lavoro dal Dr. Alan Costley è un'ulteriore conferma per il nostro approccio di accelerare lo sviluppo di energia da fusione; il nostro primo articolo che riguarda i reattori a fusione su piccola scala pubblicati nel 2015 è l'articolo più scaricato nella storia della rivista e ha messo in moto questo cambiamento fondamentale nella scienza della fusione tokamak. Faremo progredire velocemente, mantenendo i dispositivi di piccole dimensioni, utilizzando la forma sferica tokamak efficiente e utilizzando l'ultima generazione di superconduttori ad alta temperatura per generare i forti campi magnetici necessari, riducendo l'apporto di energia. Questo lavoro aggiunge ulteriore peso alle nostre idee per moduli di potenza a fusione compatti di 100MW. Essi hanno dimostrato che sia fattibile dal punto di vista fisico e sono ora in primo luogo una sfida dei materiali e dell' ingegneria ".

Da:

http://www.theengineer.co.uk/fusion-analysis-suggests-promise-for-smaller-cheaper-reactors/?cmpid=tenews_2246762