Центр плазменных наук и термоядерных исследований Массачусетского технологического института (MIT) создаёт лабораторию Шмидта по изучению 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 — поиск и оценка экономически эффективных материалов, которые могут выдерживать экстремальные условия в течение длительных периодов, включая плазму с температурой 150 миллионов градусов и интенсивную бомбардировку частицами.
Для решения этой задачи Центр плазменных наук и термоядерных исследований MIT (PSFC) запустил лабораторию Шмидта по изучению материалов в ядерных технологиях (LMNT). При поддержке благотворительного консорциума под руководством Эрика и Венди Шмидт LMNT призвана ускорить поиск и отбор материалов для различных компонентов термоядерных электростанций.
Используя 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 физике элементарных частиц и других научных и промышленных приложений.
Новый подход к материалам для термоядерного синтеза
За десятилетия исследователи работали над пониманием поведения материалов в условиях термоядерного синтеза, используя такие методы, как воздействие на тестовые образцы пучками частиц с низкой энергией или размещение их в активной зоне ядерных реакторов деления. Однако эти подходы имеют существенные ограничения.
Чтобы преодолеть эти препятствия, исследователи MIT и других институтов изучают использование энергетических 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 имеют преимущество в 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 сфере здравоохранения.
В результате LMNT будет построена вокруг экономичного серийного циклотрона, который легко приобрести и который отличается высокой надёжностью.
Лаборатория LMNT будет окружена четырьмя экспериментальными зонами, 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 сроки проведения исследований.
Ожидается, что PSFC получит 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: энергетический переход», — говорит Нуно Лорейро, директор PSFC, профессор ядерной науки и техники и профессор физики Германа Фешбаха.
«Это амбициозно, смело и критически важно — именно поэтому мы это делаем», — добавляет он.
«Что интересно в этом проекте, так это то, что он объединяет ресурсы, которые у нас есть сегодня — существенную исследовательскую инфраструктуру, серийные технологии и опыт MIT — для решения ключевого ресурса, которого нам не хватает в борьбе с изменением климата: времени», — говорит Эльза Оливьети, профессор инженерии Джерри Мафи и директор миссии климатического проекта MIT.
Помимо продвижения исследований, LMNT станет платформой для обучения и подготовки студентов в растущих областях технологий термоядерного синтеза. Расположение LMNT в главном кампусе MIT даёт студентам возможность руководить исследовательскими проектами и помогать управлять работой объектов.
«Эта новая лаборатория даст студентам, изучающим ядерную науку и технику, доступ к уникальным исследовательским возможностям, которые помогут сформировать будущее как термоядерной, так и реакторной энергетики», — отмечает Бенуа Заб забыть, глава NSE и профессор электроэнергетики Кореи.
Ускорение прогресса в решении крупных задач
Филантропическая поддержка помогла LMNT использовать существующую инфраструктуру и опыт для перехода от концепции к созданию всего за полтора года — быстрые сроки для создания крупного исследовательского проекта.
«Я в восторге от этой исследовательской модели так же, как и от материаловедения. Она показывает, как целенаправленная филантропия и сильные стороны MIT могут объединиться для создания чего-то трансформационного — 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 модель исследований, 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 сложных задач общества, и гонка за поиском новых форм энергии и борьбой с изменением климата требует смелых, рискованных подходов с высокой отдачей», — говорит Ян Вейтц, вице-президент MIT по исследованиям. «LMNT помогает превратить термоядерную энергетику из долгосрочной амбиции в реальность ближайшего будущего».