บนเส้นทางที่ถูกต้องสู่พลังงานฟิวชั่น: การศึกษาของ National Academies แนะนำโครงการนำร่องพลังงานฟิวชันที่สอดคล้องกับแนวทางฟิวชันของ MIT และโครงการ SPARC

รายงานใหม่เกี่ยวกับการพัฒนาฟิวชันเป็นแหล่งพลังงาน, เขียนตามคำร้องขอของสหรัฐอเมริกา. รมว.พลังงาน, เสนอการนำกลยุทธ์ฟิวชั่นระดับชาติมาใช้ซึ่งสอดคล้องกับหลักสูตรที่จัดทำไว้ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาโดยศูนย์วิทยาศาสตร์พลาสมาและฟิวชั่นของ MIT (พีเอสเอฟซี) และระบบ Commonwealth Fusion Systems ที่ได้รับทุนสนับสนุนจากเอกชน (CFS), การหมุนของ MIT ล่าสุด.

เทคโนโลยีฟิวชั่นยึดมั่นในคำมั่นสัญญาในการผลิตที่ปลอดภัยมายาวนาน, อุดมสมบูรณ์, ไฟฟ้าที่ปราศจากคาร์บอน, ในขณะที่กำลังดิ้นรนเพื่อเอาชนะความท้าทายที่น่ากลัวในการสร้างและควบคุมปฏิกิริยาฟิวชันเพื่อสร้างพลังงานสุทธิที่ได้รับ. แต่จากรายงานการศึกษาฉันทามติจากสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติ, วิศวกรรม, และการแพทย์ระบุว่าเทคโนโลยีฟิวชั่นกักขังแม่เหล็ก (ความมุ่งมั่นของ MIT นับตั้งแต่ทศวรรษ 1970) ขณะนี้ "มีความก้าวหน้าเพียงพอที่จะเสนอแนวทางในการสาธิตพลังงานที่เกิดจากฟิวชันภายในหลายทศวรรษข้างหน้า"

แนะนำให้ดำเนินการต่อสหรัฐอเมริกา. การมีส่วนร่วมในโครงการสิ่งอำนวยความสะดวกฟิวชั่น ITER ระหว่างประเทศและ "โครงการระดับชาติที่ประกอบการวิจัยและเทคโนโลยีที่นำไปสู่การก่อสร้างโรงงานนำร่องขนาดกะทัดรัดที่ผลิตกระแสไฟฟ้าจากการหลอมด้วยต้นทุนทุนที่ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้"

แนวทางนั้น (ซึ่งรายงานบอกว่าจะต้องใช้ถึง $200 ล้านในเงินทุนเพิ่มเติมประจำปีเป็นเวลาหลายทศวรรษ) ใช้ประโยชน์จากโอกาสที่นำเสนอโดยแม่เหล็กยิ่งยวดรุ่นใหม่, วัสดุเครื่องปฏิกรณ์, เครื่องจำลอง, และเทคโนโลยีอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง. สิ่งที่คณะกรรมการให้ความสำคัญเป็นพิเศษคือความก้าวหน้าของแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถเข้าถึงสนามที่สูงขึ้นและเครื่องจักรขนาดเล็กลงได้. รายงานฉบับนี้แนะนำให้สหรัฐฯ. โปรแกรมเพื่อพิสูจน์แม่เหล็กเจาะขนาดใหญ่สนามสูง. สิ่งเหล่านี้ถูกมองว่าช่วยให้วงจรการเรียนรู้และการพัฒนาเร็วขึ้นและมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าการทดลองขนาดใหญ่มากเช่น ITER, ซึ่งจะไม่ออนไลน์จนกว่า 2025, โดยที่ยังคงได้รับประโยชน์จากองค์ความรู้ที่เกิดจากโปรแกรมเหล่านั้น.

แนวทางที่เล็กกว่า เร็วกว่า และถูกกว่านี้รวมอยู่ในแนวคิดเครื่องปฏิกรณ์ SPARC, ซึ่งได้รับการพัฒนาที่ PSFC และสร้างรากฐานของความพยายามเชิงรุกของ CFS เพื่อสาธิตการรวมตัวที่ได้รับพลังงานภายในกลางปี ​​2020 และผลิตการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้งานได้จริงภายในต้นปี 2030. วิธีการนี้มีพื้นฐานมาจากข้อสรุปที่คล้ายกันว่าแม่เหล็กที่มีอุณหภูมิสูงในสนามสูงเป็นตัวแทนของเทคโนโลยีที่เปลี่ยนแปลงเกม. NS $30 ล้านโปรแกรมระหว่าง CFS และ MIT เพื่อสาธิตแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดขนาดใหญ่ที่มีสนามสูงกำลังดำเนินการอยู่ที่ MIT และเป็นก้าวสำคัญสู่ระบบพลังงานฟิวชันขนาดกะทัดรัด. แม้จะมีบริษัทฟิวชั่นที่ได้รับทุนสนับสนุนจากเอกชนเพียงไม่กี่แห่งที่เสนอไทม์ไลน์ที่เทียบเคียงกันได้คร่าวๆ, รายงานของ National Academies ไม่ได้จินตนาการถึงเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันสาธิตที่ปรากฏจนกระทั่ง 2050 กรอบเวลา.

รายงานยังยืนยันว่ารากฐานทางวิทยาศาสตร์ของแนวทาง tokamak ได้รับการเสริมสร้างความเข้มแข็งในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา, ทำให้มีความมั่นใจมากขึ้นว่าแนวทางนี้, ซึ่งเป็นพื้นฐานของ ITER และ SPARC, สามารถได้รับพลังงานสุทธิและสร้างพื้นฐานสำหรับโรงไฟฟ้า. จากความมั่นใจที่เพิ่มขึ้นนี้ คณะกรรมการแนะนำให้ก้าวไปข้างหน้าด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับโรงไฟฟ้านำร่องที่จะวางพลังงานบนกริด.

“สถาบันแห่งชาติเป็นองค์กรที่รอบคอบมาก, และโดยทั่วไปแล้วพวกเขาจะอนุรักษ์นิยมมาก,” Bob Mumgaard กล่าว, ประธานเจ้าหน้าที่บริหารของ CFS. “เราดีใจที่เห็นพวกเขาออกมาพร้อมกับข้อความว่าถึงเวลาที่ต้องเข้าสู่การผสมผสานแล้ว, และความกะทัดรัดและประหยัดคือหนทางที่จะไป. เราคิดว่าการพัฒนาควรดำเนินไปเร็วขึ้น, แต่เป็นการพิสูจน์ความถูกต้องแก่ผู้ที่ต้องการรับมือกับความท้าทายและกำหนดสิ่งที่เราสามารถทำได้ในสหรัฐอเมริกา. ซึ่งจะนำไปสู่การวางอำนาจบนโครงข่ายไฟฟ้า”

แอนดรูว์ ฮอลแลนด์, ผู้อำนวยการสมาคมอุตสาหกรรมฟิวชั่นที่ก่อตั้งขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้และนักวิชาการอาวุโสด้านพลังงานและสภาพภูมิอากาศที่โครงการความมั่นคงแห่งอเมริกา, ตั้งข้อสังเกตว่าผู้เขียนรายงานถูกตั้งข้อหาสร้าง "รายงานทางวิทยาศาสตร์ที่เป็นเอกฉันท์ซึ่งสะท้อนถึงเส้นทางปัจจุบัน, และเส้นทางปัจจุบันคือการสร้าง ITER และผ่านกระบวนการทดลองที่นั่น, ขณะเดียวกันก็ออกแบบโรงงานต้นแบบด้วย, การสาธิต."

การเปลี่ยนฉันทามติไปสู่แนวทางที่รวดเร็วยิ่งขึ้น, ฮอลแลนด์กล่าวเสริม, จะต้องได้รับผลการทดลองจากบริษัทอย่าง CFS. “นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการมีบริษัทที่ได้รับทุนสนับสนุนจากเอกชนในสหรัฐอเมริกาจึงเป็นเรื่องน่าทึ่ง. และทั่วโลกกำลังติดตามผลทางวิทยาศาสตร์ที่จะรองรับเรื่องนี้. และสิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือการศึกษาครั้งนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อให้ชุมชนวิทยาศาสตร์ในภาครัฐคิดเกี่ยวกับแผนยุทธศาสตร์. มันควรจะถูกมองว่าเป็นส่วนหนึ่งของปืนเริ่มต้นสำหรับชุมชนฟิวชั่นที่มารวมตัวกันและจัดกระบวนการของตัวเอง”

หรือ, ดังเช่นมาร์ติน กรีนวาลด์, รองผู้อำนวยการ PSFC และนักวิจัยฟิวชั่นผู้มีประสบการณ์, วางมัน, “ชุมชนเรามักจะโต้เถียงกันเรื่องแผน 20 ปี หรือแผน 30 ปี, แต่เราไม่อยากละสายตาจากสิ่งที่เราต้องทำในอีกสามถึงห้าปีข้างหน้า. เราอาจไม่มีความเห็นพ้องต้องกันในระยะยาว, แต่เราต้องการอันหนึ่งสำหรับทำอะไรตอนนี้, และนั่นเป็นข้อความที่สอดคล้องกันนับตั้งแต่เราประกาศโครงการ SPARC โดยมีส่วนร่วมกับชุมชนในวงกว้างขึ้นและริเริ่มโครงการ.

“สิ่งสำคัญสำหรับเราคือถ้าฟิวชั่นจะส่งผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ, เราต้องการคำตอบอย่างรวดเร็ว, เรารอจนถึงสิ้นศตวรรษไม่ไหวแล้ว, และนั่นคือการขับเคลื่อนกำหนดการ. เงินส่วนตัวที่เข้ามาช่วย, แต่การระดมทุนสาธารณะควรมีส่วนร่วมและเสริมสิ่งนั้น. แต่ละฝ่ายมีบทบาทที่เหมาะสม. ห้องปฏิบัติการแห่งชาติไม่ได้สร้างโรงไฟฟ้า, และบริษัทเอกชนไม่ทำการวิจัยขั้นพื้นฐาน”

ในขณะที่มีการดำเนินการแนวทางฟิวชั่นหลายวิธีในองค์กรภาครัฐและเอกชน, รายงานของ National Academies มุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีการกักขังด้วยแม่เหล็กโดยเฉพาะ. สิ่งนี้สะท้อนให้เห็นถึงบทบาทของรายงานในการตอบสนองของกระทรวงพลังงานต่อก 2016 รัฐสภาร้องขอข้อมูลเกี่ยวกับสหรัฐอเมริกา. การมีส่วนร่วมใน ITER, โครงการกักขังแม่เหล็ก. คณะกรรมการรายงาน 19 ผู้เชี่ยวชาญ, ซึ่งทำการวิจัยเป็นเวลาสองปี, ยังถูกตั้งข้อหาสำรวจคำถามที่เกี่ยวข้องกันว่า “วิธีที่ดีที่สุดในการพัฒนาวิทยาศาสตร์ฟิวชั่นในสหรัฐอเมริกา” และ “เหตุผลทางวิทยาศาสตร์และความต้องการในการเสริมสร้างรากฐานสำหรับการตระหนักถึงพลังงานฟิวชันโดยให้ทางเลือกที่เป็นไปได้ของสหรัฐอเมริกา. เข้าร่วมโครงการ ITER หรือไม่”

การตีพิมพ์รายงานนี้เกิดขึ้นในช่วงเวลาของกิจกรรมใหม่และความสนใจในพลังงานฟิวชัน, กับบางอย่าง 20 บริษัทเอกชนที่กำลังพัฒนา, เพิ่มเงินทุนในงบประมาณของรัฐบาลกลางล่าสุด, และการก่อตั้งสมาคมอุตสาหกรรมฟิวชั่นเพื่อสนับสนุนชุมชนโดยรวม. แต่รายงานเตือนว่า “การไม่มีกลยุทธ์การวิจัยระยะยาวสำหรับสหรัฐอเมริกานั้นเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษเมื่อเปรียบเทียบกับแผนของพันธมิตรระหว่างประเทศของเรา”

สถานการณ์นั้นอาจจะกำลังพัฒนา. “เรามีการประชุมผู้มีส่วนได้ส่วนเสียที่ดีมากเมื่อหนึ่งเดือนครึ่งที่ DC, และมีเสียงสะท้อนมากมายระหว่างบริษัทเอกชน, ชุมชนการวิจัย, กรมพลังงาน, และเจ้าหน้าที่รัฐสภาจากทั้งสองฝ่าย,” กรีนวาลด์กล่าว. “ดูเหมือนว่าจะมีแรงผลักดัน, แม้ว่าเรายังไม่รู้ว่ามันจะออกมาในรูปแบบไหน” เขาเสริมว่าการจัดตั้งสมาคมอุตสาหกรรมมีประโยชน์มากสำหรับการนำทางและการสื่อสารในวอชิงตัน.

“เราอยากเห็นรัฐบาลมีบทบาทในสิ่งที่ช่วยยกระดับบริษัทฟิวชั่นทั้งหมด, เช่นห้องปฏิบัติการวัสดุขั้นสูง, กระบวนการดึงความร้อนออกจากเครื่องปฏิกรณ์, การผลิตสารเติมแต่ง, การจำลอง, และเครื่องมืออื่นๆ,” Mumgaard กล่าว. “มีโอกาสมากมายสำหรับความร่วมมือและความร่วมมือ; ทุกบริษัทจะมีหุ้นส่วนที่แตกต่างกัน, แม้แต่การแลกเปลี่ยนบุคลากรเช่นเดียวกับที่เราทำกับ MIT”

แหล่งที่มา: news.mit.edu, โดยปีเตอร์ ดันน์