Nowotron była jedną z 30 prywatnych inicjatyw fuzyjnych, które wzięły udział Inauguracyjne warsztaty dotyczące fuzji sektora prywatnegoktóra odbyła się w dniach od 27 do 29 maja w Cadarache we Francji w siedzibie Organizacja ITER.
Erik Odenwspółzałożyciel i prezes firmy, przedstawił unikalne podejście firmy Novatron do fuzji i postęp, jaki firma poczyniła do tej pory.
Jak to jest w przypadku praktycznie każdej nowej technologii, każda firma ma własne pomysły na to, jak ją rozwijać, aby była komercyjnie opłacalna. Ale wszystkie zaczynają od tworzenia plazmy, która jest czwartym stanem materii.
Podczas gdy większość materii na Ziemi znajduje się w jednym z trzech pozostałych stanów skupienia (stały, ciekły i gazowy), większość materii we wszechświecie znajduje się w stanie plazmy, który składa się z naładowanych cząstek (jonów i elektronów).
Wodór w słońcu znajduje się w stanie plazmy, w którym powstaje większość energii w układzie słonecznym. Ciśnienie w słońcu powoduje łączenie się atomów wodoru, tworząc hel i uwalniając ogromną ilość energii w tym procesie.
Maszyny zwierciadlane magnetyczne
Novatron to nowoczesna odmiana maszyny zwierciadlanej, architektury, która została po raz pierwszy zaprezentowana w 1955 r. w Lawrence Livermore National Laboratory. Podstawowym założeniem jest ustawienie dwóch dużych magnesów w taki sposób, aby odbijały naładowane cząstki tam i z powrotem między obszarami silnych pól magnetycznych.
Lustro magnetyczne to proste podejście do fuzji, z pewnymi wyraźnymi zaletami, według Odena. To niedrogie rozwiązanie z łatwym zasilaniem i bez potrzeby stosowania specjalnego sprzętu do usuwania nadmiaru ciepła spowodowanego strumieniem neutronów, oferuje ciągłą pracę w stanie ustalonym i bardzo wysoki współczynnik beta, który jest stosunkiem ciśnienia plazmy do ciśnienia magnetycznego. Maszyny o wysokim współczynniku beta osiągają wyższą wydajność przy mniejszych siłach magnetycznych, co czyni je bardziej opłacalnymi ekonomicznie niż te z podejściami o niskim współczynniku beta – przy założeniu, że wszystkie inne czynniki pozostają takie same.
Największymi wyzwaniami w przypadku tradycyjnych maszyn lustrzanych są niestabilność i krótki czas uwięzienia. Czas uwięzienia – jak długo maszyna może utrzymać paliwo plazmowe na miejscu – jest jednym z trzech warunków niezbędnych do rozpoczęcia i utrzymania reakcji fuzji, a pozostałe dwa to gęstość i ciepło. Według Odena społeczność naukowa przez lata opracowała rozwiązania mające na celu poprawę stabilności i czasu uwięzienia w maszynach lustrzanych.
Jedno z rozwiązań opiera się na pomysłach z Jan Jäderbergwspółzałożyciel i CTO Novatron. Jäderberg znalazł sposoby na zminimalizowanie problemów z niestabilnością plazmy, które stały na przeszkodzie uczynieniu energii fuzyjnej rzeczywistością.
Rozwiązaniem, które Novatron zamierza zbudować, jest osiowosymetryczne lustro tandemowe (ATM), które łączy dwie podstawowe koncepcje fuzji – lustra magnetyczne i dwustożkowe wierzchołki. Klasyczne lustro magnetyczne ma pole magnetyczne skierowane w kierunku normalnym do płaszczyzny symetrii i oferuje dobre ograniczenie, ale jest niestabilne. Dwustożkowe wierzchołki z kolei wytwarzają pole magnetyczne, które jest styczne do płaszczyzny symetrii i jest stabilne, ale ma słabe ograniczenie.
Unikalną koncepcją firmy Novatron jest nowa kategoria ograniczenia magnetycznego, z normalnym polem magnetycznym w płaszczyźnie symetrii, takim jak w klasycznym lustrze, ale z dodatkową parą dwustożkowych wierzchołków.
„Tworzymy pole magnetyczne, które jest wypukłe, patrząc od wewnątrz, i wklęsłe, patrząc od zewnątrz” – powiedział Oden. „To skutkuje bardzo dobrym ograniczeniem – i jest z natury stabilne”.
Według Odena wszystkie magnesy są okrągłe, więc łatwo je wyprodukować i łatwo je stabilizować mechanicznie. Novatron osiąga również bardzo wysoki współczynnik beta i ma wiele różnych sposobów zwiększania wydajności, wydłużając ograniczenie i zwiększając objętość plazmy. Ponadto konstrukcja ATM sprawia, że stosunkowo łatwo jest utrzymać plazmę w płomieniach bez konieczności stosowania skomplikowanych urządzeń grzewczych wymaganych przez inne podejścia.
Siła symulacji komputerowych
Podobnie jak w przypadku wszystkich projektów fuzyjnych, Novatron ma plan działania składający się z kilku faz. Zaczynając od symulacji, które pozwalają badaczom na sprawdzenie i dopracowanie podstawowych założeń fizycznych i inżynieryjnych ich podejścia, a kończąc na komercyjnym reaktorze fuzyjnym gotowym za około dziesięć lat.
Aby symulować swoją architekturę, Novatron korzysta ze specjalistów w dziedzinie symulacji komputerowej i modelowania fizycznego – w tym Rickard Holmbergfizyk obliczeniowy i inżynier oprogramowania w Novatron. Platforma symulacyjna, z której firma korzysta najczęściej, to WarpXnad którym pracował i który jest utrzymywany przez zespół badaczy, głównie z Lawrence Berkeley National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory i Lawrence Livermore National Laboratory.
„Wprowadziliśmy pewne udoskonalenia i modyfikacje do podstawowej wersji WarpX, aby lepiej odpowiadała naszym potrzebom” – powiedział Rickard Holmberg w wywiadzie dla Computer Weekly.
Oprogramowanie symulacyjne działa na bardzo szerokim zakresie sprzętu – od pojedynczego GPU na stacji roboczej po duże klastry. Działa zarówno na GPU AMD, jak i NVIDIA i może używać OpenMP i MPI do paralelizacji CPU. Novatron uruchamia więcej symulacji na własnym sprzęcie, ale czasami używa małych zasobów w chmurze. „Chcemy rozszerzyć się na duże klastry” – powiedział Holmberg.
Firma przeprowadziła obszerne testy komputerowe i symulacje testów wytrzymałościowych, które wykazały stabilność Novatronu – w ostrym kontraście do znanej z niestabilności klasycznej metody lustrzanej.
„Nasze obliczenia wskazują również, że czas ograniczenia energii będzie o współczynnik 100 lepszy od czasu, jaki osiągnęliśmy stosując tradycyjne urządzenia wykorzystujące lustra magnetyczne” – powiedział Oden.
Seria maszyn eksperymentalnych
„Obecnie uruchamiamy nasz pierwszy reaktor eksperymentalny, zwany Novatron 1, w Sztokholmie w Królewskim Instytucie Technologii w LVM Laboratory” — powiedział Oden. „Będzie to komórka rdzeniowa, w której pokażemy stabilną plazmę. Planujemy drugi reaktor eksperymentalny, Novatron 2, w którym stworzymy nasze pierwsze osiowo symetryczne lustro tandemowe i dodamy funkcjonalność zwiększającą wydajność. Spodziewamy się osiągnąć warunki fuzji do 2027 r.”
Podobnie jak wszystkie inne firmy zajmujące się fuzją, przed podłączeniem zasilania do sieci, zostanie wyprodukowana prototypowa maszyna, aby pokazać wykonalność komercyjną. Będzie to Novatron 3, reaktor pilotażowy, który zostanie ukończony w latach 30. XXI wieku, zakładając, że firma będzie trzymać się swojej obecnej mapy drogowej.
Wreszcie, Novatron 4 będzie pełnoprawnym reaktorem fuzyjnym dla komercyjnej elektrowni. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, zostanie to osiągnięte w latach 30. XXI wieku. Firma ma nadzieję, że jej unikalna architektura stanie się preferowanym podejściem do komercyjnie opłacalnego źródła czystej, bezpiecznej i praktycznie nieograniczonej energii na skalę globalną.