The route to commercial fusion electricity by 2030 / Il percorso per l'elettricità commerciale da fusione nucleare entro il 2030.

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

The inner vacuum vessel of the ST40 tokamak undergoing its successful first vacuum test

Tokamak Energy’s contribution to putting fusion power into the grid by 2030: the ST40 prototype of a compact fusion reactor
The world is facing a deep decarbonisation challenge, and major organisations such as the Breakthrough Energy Coalition and the newly-announced Breakthrough Energy Ventures are seeking bold new technologies, like fusion, as the solution. Decarbonising all our energy requires a novel approach, but with engineers, scientists and private investors becoming increasingly serious about fusion, its potential is greater than ever.
Fusion researchers worldwide are developing technologies and materials for fusion power in the future. At Tokamak Energy, our aim is to put fusion power into the grid by 2030; we are pursuing the “spherical tokamak” route to achieve this using compact machines. Our theoretical and experimental research to date has shown that this can be a much faster route to fusion than more conventional large-scale tokamak devices.
Tokamak Energy grew out of the Culham Centre for Fusion Energy. It was established in 2010 with the objective of designing and developing small spherical tokamaks and compact fusion reactors. Spherical tokamak development was pioneered at Culham on the START and MAST tokamaks, which showed enhanced performance over the conventional doughnut shape. We are now building on this excellent science with a redirected focus on engineering, which enables us to further step up performance and progress towards achieving fusion.
An important element of our compact approach is the use of high temperature superconducting (HTS) magnets. In a tokamak, a magnetic field holds the plasma (an electrically-charged gas where the fusion reactions take place) away from the walls of the machine so that multi-million-degree temperatures can be achieved. HTS magnets can create higher magnetic fields than conventional (low temperature) superconductors whilst taking up less space, making them compatible with the more compact, squashed design of the spherical tokamak.
So HTS magnets allow for relatively small-size and low-power devices with high performance and widespread rapid commercial deployment opportunities. They also offer energy savings over conventional superconductors, which must be cooled to 4K (-269C). We plan to cool our HTS magnets to around 20K, though they remain superconducting up to 77K.
We have already built two experimental tokamaks and are constructing a third, the ST40. This is due to launch this Spring as part three of a five-stage plan to deliver fusion energy into the grid by 2030. It is designed to ultimately produce plasma temperatures of 100 million degrees (the right temperature range for controlled fusion on earth) though the near-term aim is to reach 15 million degrees (as hot as the centre of the sun) before the end of 2017. ST40 also aims to get within a factor of ten of energy breakeven conditions. To get even closer than that, we must then fine-tune the plasma density, temperature and confinement time.
The ST40 uses copper magnets rather than HTS so that we can build it relatively cheaply and quickly but demonstrate significant performance advances in the high-field, compact configuration. But for continuous reactor operation, rather than short experiments, superconducting magnets will have to be used. In parallel we are fast-track developing HTS magnet technology for use in our follow-up machine.
By 2019 the ST40 will demonstrate that fusion energy conditions are achievable in a small tokamak. At the same time we will unveil a large prototype HTS magnet suitable for a tokamak.
Our next tokamak device, using HTS magnets, will need to be significantly larger than ST40 – but still much smaller than huge tokamaks on the mainstream route to fusion, such as ITER, presently under construction in France. Using the knowledge acquired on ST40 we will build a reactor to demonstrate first electricity from fusion by 2025. This will then form the basis of a first-of-a-kind power plant module that will deliver electricity into the grid by 2030.
Our aims with the ST40 are bold and ambitious. Fusion is a huge challenge, but one that must be tackled if we are to deliver the essential decarbonisation of our energy supply. This will require massive investment, academic and industrial collaborations, an excellent supply chain, good management and many dedicated and creative engineers and scientists. Collaboration is crucial on the pathway to fusion energy as the multitude of complex challenges requires specialised knowledge and skill-sets.
At Tokamak Energy we are breaking the fusion development process down into a series of engineering challenges and raising successive investment on targets. We have received investment of £20m so far from L&G Capital, Oxford Instruments, the Institution of Mechanical Engineers, Rainbow Seed Fund and several others.
The future is bright for fusion. Private ventures are increasingly tackling challenges previously assumed to be the realm of governments and this will accelerate development. It allows smaller, agile companies such as ours to take different approaches to fusion and make new inroads into a field that has become large, political and cumbersome. As summarised nicely by Lord Rees of Ludlow, ex-President of the Royal Society, “the private sector now has a greater appetite for risk in scientific projects than Western governments.”
Tokamak Energy is treating the pursuit of fusion energy as an engineering challenge and business. We believe that with collaboration, dedication and investment, fusion will be a viable means of decarbonising global energy supply.

ITALIANO

Il contributo del Tokamak Energia per mettere energia elettrica da fusione in rete entro il 2030: il prototipo ST40 di un reattore a fusione compatto
Il mondo si trova ad affrontare una sfida per la decarbonizzazione profonda, e le principali organizzazioni quali la Breakthrough Energy Coalition e Breakthrough neo-annunciato Energy Ventures stanno cercando le nuove tecnologie, come la fusione, come la soluzione.La  decarbonizzazione di tutte le nostre energie richiede un nuovo approccio, ma con gli ingegneri, gli  scienziati gli investitori privati ​​stanno diventando sempre più interessati sulla fusione, il suo potenziale è più grande che mai.
I ricercatori sulla fusione a livello mondiale stanno sviluppando tecnologie e materiali per l'energia da fusione in futuro. Presso il Tokamak energia, l'obiettivo è quello di mettere l'energia elettrica prodotta dalla fusione in rete entro il 2030; si sta perseguendo il percorso del "tokamak sferico" per raggiungere questo obiettivo con macchine compatte. La nostra ricerca teorica e sperimentale finora ha dimostrato che questo può essere un percorso molto più veloce per realizzare la fusione rispetto ai  dispositivi tokamak grandi convenzionali.
Tokamak energia è cresciuto fuori del Centro di Culham per fusione. E 'stata fondata nel 2010 con l'obiettivo di progettare e sviluppare piccoli tokamak sferici e reattori a fusione compatti. Lo sviluppo del tokamak sferico è stato sperimentato a Culham sui tokamak START e MAST, che hanno mostrato migliori prestazioni rispetto alla forma della ciambella convenzionale. Ora si sta costruendo su questo eccellente dispositivo con un focus reindirizzato su ingegneria, che ci permette di intensificare ulteriormente le prestazioni e il progresso verso il raggiungimento della fusione.
Un elemento importante del nostro approccio compatto è l'uso di magneti superconduttori ad alte temperature (HTS). In un tokamak, un campo magnetico contiene il plasma (un gas elettricamente carico in cui le reazioni di fusione avvengono) entro le pareti della macchina in modo che possano essere raggiunte le temperature di svariati milioni gradi. I magneti  HTS possono creare campi magnetici superiori a quelli convenzionali (a bassa temperatura), mentre i superconduttori possono occupare meno spazio, rendendoli compatibili con il più compatto, il progetto schiacciato del tokamak sferico.
Così i HTS magneti consentono di realizzare dispositivi di piccole dimensioni e bassa potenza relativamente ad alte prestazioni e diffuse rapide opportunità di impiego commerciale. Offrono anche un risparmio energetico rispetto ai superconduttori convenzionali, che devono essere raffreddati a 4K (-269C). Abbiamo in programma di raffreddare i nostri magneti HTS  a circa 20K, anche se rimangono superconduttori fino a 77K.
Abbiamo già costruito due tokamak sperimentali e stanno costruendo un terzo, la ST40. Ciò è dovuto per lanciare questa primavera come la terza parte di un piano in cinque fasi per fornire l'energia da fusione in rete entro il 2030. E' stato progettato per produrre in ultima analisi, le temperature del plasma di 100 milioni di gradi (l'intervallo di temperatura giusta per la fusione controllata sulla terra), anche se l'obiettivo a breve termine è quello di raggiungere i 15 milioni di gradi (la temperatura come al centro del sole) prima della fine del 2017. ST40 mira anche ad ottenere delle condizioni di pareggio di energia di un fattore dieci . Per avvicinarsi ancora di più a questo obiettivo, dobbiamo quindi mettere a punto la regolazione fine della densità del plasma, della temperatura e del confinamento.
Lo ST40 utilizza magneti di rame piuttosto che HTS in modo che possiamo costruire un dispositivo relativamente economico e rapido, ma dimostrare dei progressi significativi delle prestazioni in-alto campo, con la configurazione compatta. Ma per il funzionamento del reattore continuo, piuttosto che brevi esperimenti, i magneti superconduttori dovranno essere utilizzati. In parallelo siamo accelerando per sviluppare la tecnologia a magneti HTS per l'uso nella nostra macchina di follow-up.
Entro il 2019 lo ST40 dimostrerà che le condizioni di energia di fusione sono realizzabili in un piccolo tokamak. Allo stesso tempo, ci sarà da realizzare un grande magnete prototipo HTS adatto per un tokamak.
Il nostro dispositivo tokamak prossimo, utilizzando  magneti HTS, dovrà essere significativamente più grande per ST40 - ma ancora molto più piccolo rspetto ai grandi tokamak  principali di fusione, quali ITER, attualmente in costruzione in Francia. Utilizzando le conoscenze acquisite su ST40 costruiremo un reattore in grado di dimostrare dapprima  la produzione di energia elettrica da fusione entro il 2025. Questo consentirà quindi di costituire la base di una primo tipo di modulo di centrale elettrica che fornirà elettricità alla rete entro il 2030.
I nostri obiettivi con l' ST40 sono audaci e ambiziosi.  Ciò richiederà massicci investimenti, collaborazioni accademiche e industriali, un eccellente catena di approvvigionamento, la buona gestione e molti ingegneri dedicati e creativi ecome anche gli scienziati. La collaborazione è fondamentale sulla via per l'energia da fusione, come la moltitudine di sfide complesse richiede una conoscenza specifica e abilità.
Al Tokamak Energia stiamo attuando il processo di sviluppo della fusione in una serie di sfide di ingegneria e di aumentare gli investimenti successivi sugli obiettivi. Abbiamo ricevuto un investimento di £ 20m così lontano dalla L & G Capitale, Oxford Instruments, la Institution of Mechanical Engineers, Seed Fund arcobaleno e molti altri.
Il futuro è luminoso per la fusione. Le imprese private sono sempre più in grado di affrontare le sfide precedentemente assunte dai governi e questo accelererà lo sviluppo. Esso consente più piccole, aziende agili come la nostra per prendere diversi approcci alla fusione e aprendo nuove strade in un campo che è diventato grande,  e ingombrante. Come riassunto bene da Lord Rees di Ludlow, ex presidente della Royal Society, "il settore privato ora ha una maggiore propensione al rischio in progetti scientifici rispetto ai governi occidentali".
Tokamak Energy sta trattando il perseguimento dell'energia da fusione come una sfida di ingegneria e di business. Crediamo che con la collaborazione, la dedizione e gli investimenti, la fusione sarà un mezzo vitale di decarbonizzazione dell'approvvigionamento energetico globale.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/the-30-year-route-to-commercial-fusion-electricity/?cmpid=tenews_3124321