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MIT Has Plans for a Real ARC Fusion Reactor

By Evan Ackerman Posted 11 Aug 2015

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ARC stands for “affordable, robust, compact.” The design is a fusion reactor that’s based on the tokamak, using magnetic fields to contain plasma at a high enough temperature (tens to hundreds of millions of degrees Celsius) to maintain the conditions necessary for fusion. A tokamak called ITER is currently under construction in France, and it may be operational by the 2030s at a cost of tens of billions of dollars. A bunch of different research institutions are working on newer approaches that are designed to be much faster and much, much cheaper; ARC is the latest of these.

What makes MIT’s ARC design different is its use of a new class of commercially available superconductors called rare-earth barium copper oxide (REBCO) superconducting tapes. These superconductors can generate significantly higher magnetic fields inside the reactor. And since any magnetic field increase raises the level of fusion to the fourth power, using REBCO superconductors to nearly double magnetic field strength yields a potential fusion power increase of an order of magnitude over standard superconductors.



With this massive boost in power, MIT has been able to design a much smaller (and therefore cheaper) reactor that can still produce significant amounts of electricity. The first prototype ARC reactor would be a 270 MWe power plant, producing between three and six times as much energy as it requires to keep itself running. The reactor, which would generate enough energy to power some 100,000 homes, would be relatively compact at half the size of ITER. It would have the added benefit of having a module core, making it much easier to both service and experiment with.

The reactor design would also be simplified through the use of a liquid (a fluorine lithium beryllium molten salt) as a shielding material, a neutron moderator, and a heat exchange medium. The liquid coats the reactor, gets heated by the fusion going on inside, and then is fed through a high-efficiency Brayton cycle engine to generate electricity.

The ARC reactor is based almost entirely on existing, proven technology, and MIT says that devices of a similar complexity and size have been built within about five years. It would cost, says MIT, “a fraction” of what it will take to build ITER. For all we know, that fraction is nine-tenths, but the implication is that the ARC reactor would be substantially cheaper, largely due to its smaller size.

We should point out, as the researchers do, that “a full engineering design is beyond the scope of the ARC study.” However, there’s no theoretical or technological showstopper preventing an engineering design for an ARC reactor to be developed. If it is, we could see a completed one up and running in as little as a decade.

Fusion nucléaire : les nouveaux supraconducteurs changeraient la donne

Par Nathalie Mayer, Futura le 10/08/2015

Depuis plusieurs décennies, les scientifiques rêvent d'exploiter la fusion nucléaire, ce phénomène qui a lieu au cœur des étoiles, pour produire une énergie sûre, quasi inépuisable et presque propre. Grâce aux récentes avancées réalisées dans le secteur des technologies magnétiques, des chercheurs américains du MIT (Massachusetts Institute of Technology) estiment possible de construire un réacteur à fusion nucléaire compact en une petite dizaine d'années seulement.

Pour parvenir à leurs fins, ils ont employé de nouveaux supraconducteurs, déjà disponibles dans le commerce. Ces supraconducteurs à base d'oxyde de baryum, de cuivre et de terres rares, et baptisés Rebco (rare-earth barium copper oxide), se présentent sous forme de rubans. De quoi permettre aux chercheurs du MIT de fabriquer des bobines génératrices de champs magnétiques particulièrement intenses, suffisamment pour confiner du plasma, la clé d'un réacteur à fusion nucléaire. Ils ont baptisé leur projet ARC, pour affordable, robust, compact (abordable, robuste et compact). On ne peut pas manquer d'y voir un clin d'œil à la source d'énergie de l'armure d'Iron Man, le héros des bandes dessinées de Marvel Comics et des films éponymes.

Pour mieux comprendre, revenons aux bases physiques de la fusion nucléaire. Elle consiste à faire fusionner deux noyaux atomiques légers, des noyaux d'hydrogène en l'occurrence. Or, les noyaux sont électriquement positifs et deux charges de même signe ont la fâcheuse tendance à se repousser. Seules des températures extrêmes, qui se compteraient en millions de degrés, peuvent accélérer les noyaux au point de leur permettre de casser la barrière dressée par les forces électromagnétiques. Et, actuellement la plupart des scientifiques s'accordent à dire que la meilleure solution pour y parvenir est celle du tokamak, une sorte de boîte magnétique dans laquelle deux isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, seraient confinés et maintenus à une température de quelque 150 millions de degrés. À cette température, la matière se présente sous la forme d'un plasma, un gaz extrêmement chaud et électriquement chargé. Un environnement favorable à la fusion nucléaire.


Une fois refroidis à la température de l’azote liquide, les rubans supraconducteurs de Rebco (main droite) transportent autant de courant qu’un gros câble de cuivre (main gauche). De quoi construire des bobines émettant des champs magnétiques extrêmement élevés et consommant des quantités minimales d’énergie. © Jose-Luis Olivares, MIT

Comme Iter mais en mieux

Un prototype à grande échelle de ce type de réacteur est actuellement en cours de construction à Saint-Paul-lez-Durance, en Provence-Alpes-Côte d'Azur. Le projet Iter vise à valider la faisabilité scientifique et technologique de l'énergie de fusion et à ouvrir la voie à son exploitation industrielle. Au cœur de ce réacteur seront produits des noyaux d'hélium, des neutrons et de l'énergie. Les noyaux d'hélium, chargés, resteront confinés dans le tokamak sous l'effet du champ magnétique. 80 % de l'énergie produite sera portée par les neutrons, insensibles au champ magnétique. Ceux-ci transféreront leur énergie sous forme de chaleur aux parois du réacteur. Une chaleur qui sera, par la suite, utilisée pour produire vapeur et électricité.

La solution proposée par les chercheurs du MIT pour ce projet ARC repose sur les mêmes principes physiques. Cependant, basée sur des champs magnétiques bien plus intenses, elle permet de diminuer la taille du réacteur et, partant, son coût. Elle permet aussi d'envisager d'autres avancées. Les scientifiques ont en effet établi qu'en doublant l'intensité du champ magnétique appliqué, l'énergie produite pouvait être multipliée... par 16 ! Avec un réacteur tel que cet ARC, l'énergie produite serait 10 fois supérieure à celle que l'on attend en utilisant des supraconducteurs classiques. Ainsi, un réacteur d'un diamètre deux fois plus petit que celui d'Iter pourrait produire tout autant d'énergie, pour un coût bien moindre et une durée de construction plus courte, explique le communiqué du MIT. Rappelons tout de même que Iter n'est pas prévu pour produire de l'électricité mais pour valider des concepts techniques.

Parmi les autres avantages cités par l'équipe américaine : la possibilité de remplacer le cœur de fusion sans avoir à démanteler le réacteur tout entier. De quoi mener aisément des recherches plus poussées (matériaux, conception, etc.) dans le but d'améliorer encore les performances du système. De même, les matériaux solides qui entourent habituellement ce type de réacteurs pourront être remplacés par un liquide qui pourra facilement être mis en circulation autour de la chambre de fusion et remplacé sans grand frais.

Pour l'heure, aucun réacteur de fusion n'a pu produire plus d'énergie qu'il n'en consomme. Or, dans sa configuration actuelle, ARC serait théoriquement capable de produire trois fois plus d'électricité que celle utilisée pour le faire fonctionner. Et les chercheurs du MIT assurent que ce rendement pourrait être encore doublé...

ARC is a ∼200–250 MWe tokamak reactor with a major radius of 3.3 m, a minor radius of 1.1 m, and an on-axis magnetic field of 9.2 T [tesla, a measure of magnetic field strength]. ARC has rare earth barium copper oxide (REBCO) superconducting toroidal field coils, which have joints to enable disassembly. This allows the vacuum vessel to be replaced quickly, mitigating first wall survivability concerns, and permits a single device to test many vacuum vessel designs and divertor materials. The design point has a plasma fusion gain of Qp ≈ 13.6, yet is fully non-inductive, with a modest bootstrap fraction of only ∼63%. Thus ARC offers a high power gain with relatively large external control of the current profile.

This highly attractive combination is enabled by the ∼23 T peak field on coil achievable with newly available REBCO superconductor technology. External current drive is provided by two innovative inboard RF launchers using 25 MW of lower hybrid and 13.6 MW of ion cyclotron fast wave power. The resulting efficient current drive provides a robust, steady state core plasma far from disruptive limits. ARC uses an all-liquid blanket, consisting of low pressure, slowly flowing fluorine lithium beryllium (FLiBe) molten salt. The liquid blanket is low-risk technology and provides effective neutron moderation and shielding, excellent heat removal, and a tritium breeding ratio ≥ 1.1. The large temperature range over which FLiBe is liquid permits an output blanket temperature of 900 K, single phase fluid cooling, and a high efficiency helium Brayton cycle, which allows for net electricity generation when operating ARC as a Pilot power plant.

The MIT group has designed a small demonstration reactor called SPARC, Soonest/Smallest Private-Funded Affordable Robust Compact, that they estimate will cost in the $300M range.

ITER will cost $40 billion, take decades to complete, and is only a science experiment. It will produce 500W of thermal energy but no electricity. Development of an ARC reactor that would provide 500W thermal and 200MW of actual electricity for the grid and would cost less than a tenth of ITER.
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