Центр плазменных наук и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института (MIT) создаёт лабораторию Шмидта для изучения материалов в ядерных технологиях.
Термоядерная энергетика имеет потенциал для перехода от ископаемого топлива, повышения внутренней энергетической безопасности и питания искусственного интеллекта. Частные компании уже инвестировали более 8 миллиардов долларов в разработку коммерческого термоядерного синтеза и использование возможностей, которые он предлагает.
Однако существует острая проблема — открытие и оценка экономически эффективных материалов, которые могут выдерживать экстремальные условия в течение длительных периодов, включая плазму температурой в 150 миллионов градусов и интенсивную бомбардировку частицами.
Для решения этой задачи Центр плазменных наук и термоядерного синтеза (PSFC) Массачусетского технологического института запустил Лабораторию Шмидта для изучения материалов в ядерных технологиях (LMNT). Финансируемый благотворительным консорциумом под руководством Эрика и Венди Шмидт, LMNT призван ускорить открытие и отбор материалов для различных компонентов термоядерных электростанций.
Использование лаборатории Шмидта для изучения материалов в ядерных технологиях
Опираясь на опыт MIT в области термоядерного синтеза и материаловедения, перепрофилируя существующую исследовательскую инфраструктуру и сотрудничая с ведущими частными компаниями в области термоядерного синтеза, PSFC стремится обеспечить быстрый прогресс в разработке материалов, необходимых для коммерциализации термоядерной энергетики в короткие сроки. LMNT также будет способствовать разработке и оценке материалов для атомных электростанций, экспериментов следующего поколения в области физики элементарных частиц и других научных и промышленных приложений.
Закери Хартвиг, руководитель LMNT и доцент кафедры ядерной науки и инженерии (NSE), говорит: «Сегодня нам нужны технологии, которые позволят быстро разрабатывать и тестировать материалы для поддержки коммерциализации термоядерной энергетики. Миссия LMNT включает в себя науку об открытиях, но стремится пойти дальше, в конечном итоге помогая выбрать материалы, которые будут использоваться для строительства термоядерных электростанций в ближайшие годы».
Новый подход к материалам для термоядерного синтеза
На протяжении десятилетий исследователи работали над пониманием поведения материалов в условиях термоядерного синтеза, используя такие методы, как облучение тестовых образцов пучками частиц низкой энергии или помещение их в ядро ядерных реакторов деления. Однако эти подходы имеют существенные ограничения.
Пучки частиц низкой энергии облучают только самый тонкий поверхностный слой материалов, в то время как облучение в реакторе деления неточно воспроизводит механизм повреждения материалов в условиях термоядерного синтеза. Облучение в реакторе деления также является дорогостоящим многолетним процессом, требующим специализированных установок.
Чтобы преодолеть эти препятствия, исследователи MIT и других институтов изучают использование энергичных пучков протонов для моделирования повреждений, которым материалы подвергаются в условиях термоядерного синтеза. Протонные пучки можно настроить так, чтобы они соответствовали повреждениям, ожидаемым в термоядерных электростанциях, а протоны проникают достаточно глубоко в тестовые образцы, чтобы дать представление о том, как воздействие может повлиять на структурную целостность.
Протонные пучки обладают преимуществом скорости: во-первых, интенсивные протонных пучки могут быстро повредить десятки образцов материалов одновременно, позволяя исследователям тестировать их за дни, а не за годы. Во-вторых, высокоэнергетические протонных пучки можно генерировать с помощью типа ускорителя частиц, известного как циклотрон, обычно используемого в здравоохранении. В результате LMNT будет построен вокруг экономичного серийного циклотрона, который легко получить и который отличается высокой надёжностью.
Лаборатория Шмидта будет окружена четырьмя экспериментальными площадками, посвящёнными исследованиям в области материаловедения. Лаборатория обретает форму внутри большого экранированного бетонного хранилища в PSFC, где когда-то размещался токамак Alcator C-Mod — рекордный эксперимент по термоядерному синтезу, который проводился в PSFC с 1992 по 2016 год. Перепрофилируя бывшее пространство C-Mod, центр избегает необходимости в масштабном дорогостоящем новом строительстве и значительно ускоряет график исследований.
Ветеранская команда PSFC, которая возглавляла крупные проекты, такие как токамаки Alcator и разработку усовершенствованных высокотемпературных сверхпроводящих магнитов, контролирует проектирование, строительство и эксплуатацию объектов, обеспечивая быстрое превращение LMNT из концепции в реальность. PSFC рассчитывает получить циклотрон к концу 2025 года, а экспериментальные работы начнутся в начале 2026 года.
«LMNT — это начало новой эры исследований термоядерного синтеза в MIT, в которой мы стремимся решать самые сложные задачи в области термоядерных технологий в сроки, соответствующие срочности проблемы, с которой мы сталкиваемся: переход к энергетике», — говорит Нуно Лорейро, директор PSFC, профессор ядерной науки и инженерии и профессор физики имени Германа Фешбаха.
«Что интересно в этом проекте, так это то, что он объединяет ресурсы, которые мы имеем сегодня — существенную исследовательскую инфраструктуру, серийные технологии и опыт MIT — для решения ключевого ресурса, которого нам не хватает в борьбе с изменением климата: времени. Используя лабораторию Шмидта для изучения материалов в ядерных технологиях, исследователи MIT, продвигающие термоядерную энергетику, атомную энергетику и другие технологии, критически важные для будущего энергетики, смогут действовать сейчас и действовать быстро», — говорит Эльза Оливетти, профессор инженерии Джерри Макафи и директор миссии климатического проекта MIT.
Помимо продвижения исследований, LMNT станет платформой для обучения и подготовки студентов в области термоядерных технологий. Расположение LMNT в главном кампусе MIT даёт студентам возможность руководить исследовательскими проектами и помогать управлять работой объекта. Это также продолжает практический подход к образованию, который определил PSFC, подтверждая, что непосредственный опыт в крупномасштабных исследованиях — лучший подход для подготовки учёных-ядерщиков и инженеров для расширяющейся рабочей силы в области термоядерной промышленности.
Бенуа Забгори, глава NSE и профессор ядерной инженерии имени Кореи Electric Power, отмечает: «Эта новая лаборатория даст студентам, изучающим ядерную науку и инженерию, доступ к уникальным исследовательским возможностям, которые помогут сформировать будущее как термоядерной, так и атомной энергетики».
Ускорение прогресса в решении крупных задач
Финансирование со стороны благотворительных организаций помогло LMNT использовать существующую инфраструктуру и опыт для перехода от концепции к созданию объекта всего за полтора года — быстрые сроки для создания крупного исследовательского проекта.
«Я в восторге не только от этой исследовательской модели, но и от материаловедения. Это показывает, как целенаправленная благотворительность и сильные стороны MIT могут объединиться для создания чего-то преобразующего — крупного нового объекта, который поможет исследователям из государственного и частного секторов быстро продвигаться в области термоядерных материалов», — подчёркивает Хартвиг.
Используя этот подход, PSFC реализует крупное государственно-частное партнёрство в области термоядерной энергетики, реализуя исследовательскую модель, которую американское термоядерное сообщество только недавно начало изучать, и демонстрируя решающую роль, которую университеты могут играть в ускорении разработки материалов и технологий, необходимых для термоядерной энергетики.
«Университеты уже давно находятся в авангарде решения самых больших проблем общества, и гонка за поиском новых форм энергии и борьбой с изменением климата требует смелых, рискованных подходов с высокой отдачей», — говорит Ян Вайтц, вице-президент MIT по исследованиям. «LMNT помогает превратить термоядерную энергетику из долгосрочной задачи в реальность ближайшего будущего».