Wendelstein 7-X capai konversi energi 1,3 gigajoule dengan plasma 8 menit

 (ipp.mpg.de)
2 poin oleh GN⁺ 2023-08-12 | 1 komentar | Bagikan ke WhatsApp
  • Perangkat eksperimen fusi Wendelstein 7-X di Greifswald berhasil melampaui target 1 gigajoule untuk 2023 dan mencapai konversi energi 1,3 gigajoule setelah dioperasikan kembali pada musim gugur 2022
  • Nilai yang dicatat pada 15 Februari 2023 ini 17 kali lebih tinggi dari rekor tertinggi sebelum modifikasi, yaitu 75 megajoule, dan menunjukkan efektivitas pekerjaan penyempurnaan perangkat
  • Konversi energi adalah hasil kali daya pemanasan yang dikopel ke plasma dan durasi pelepasan, dan dalam eksperimen kali ini plasma dipertahankan selama 480 detik dengan rata-rata 2,7 megawatt
  • Melalui 3 tahun pekerjaan penyempurnaan, sistem pendingin air ditambahkan ke elemen dinding dan sistem pemanasan ditingkatkan, sehingga memungkinkan pengopelan daya dua kali lebih besar ke plasma dibanding sebelumnya
  • Target berikutnya adalah meningkatkannya hingga 18 gigajoule dalam beberapa tahun ke depan dan mempertahankan plasma secara stabil selama 30 menit

Rekor 1,3 gigajoule dan pelepasan 8 menit

  • Wendelstein 7-X melampaui target konversi energi 1 gigajoule untuk 2023 dan mencapai 1,3 gigajoule
  • Dalam eksperimen 15 Februari 2023, perangkat ini mencatat nilai 17 kali lebih tinggi dibanding rekor sebelum modifikasi, yaitu 75 megajoule
  • Konversi energi dihitung dengan mengalikan daya pemanasan yang dikopel ke plasma dengan durasi pelepasan
  • Untuk pengoperasian pembangkit listrik, energi dalam jumlah besar harus dapat dikopel ke plasma untuk waktu lama, sambil pada saat yang sama panas yang dihasilkan harus bisa dibuang

Dinding berpendingin air dan peningkatan sistem pemanasan

  • Wendelstein 7-X menjalani 3 tahun pekerjaan penyempurnaan yang berlanjut hingga musim panas 2022
  • Perubahan utama adalah pendinginan air pada elemen dinding dan peningkatan sistem pemanasan
  • Sistem pemanasan yang ditingkatkan dapat mengopel dua kali lebih banyak daya ke plasma dibanding sebelumnya
  • Setelah penyempurnaan perangkat, Wendelstein 7-X kini dapat dioperasikan dalam rentang parameter yang lebih luas
  • Thomas Klinger dari IPP menyatakan bahwa langkah menuju nilai energi yang lebih tinggi harus dilakukan secara bertahap agar perangkat tidak kelebihan beban atau rusak

Struktur divertor yang bertugas membuang panas

  • Wendelstein 7-X menggunakan pelat baffle divertor yang sangat tahan panas untuk membuang aliran panas terbesar
  • Pelat baffle ini merupakan bagian dari dinding bagian dalam, dan setelah penyempurnaan perangkat didinginkan oleh sistem pipa air sepanjang 6,8 km
  • Saat ini, tidak ada perangkat fusi lain di dunia yang seluruh dinding dalamnya didinginkan secara menyeluruh seperti Wendelstein 7-X
  • Citra inframerah menunjukkan distribusi suhu pada baffle divertor berpendingin air, bukan plasma itu sendiri
    • Garis di bagian pusat tempat plasma menyentuh divertor ditampilkan sebagai strike line
    • Beberapa area mencapai maksimum 600 derajat Celsius
    • Ubin divertor dapat menahan hingga maksimum 1200 derajat Celsius

Kondisi pemanasan yang menghasilkan pelepasan 480 detik

  • Pemanasan plasma Wendelstein 7-X terdiri dari tiga komponen
    • Pemanasan ion yang baru dipasang
    • Pemanasan melalui injeksi partikel netral
    • Pemanasan gelombang mikro elektron
  • Dalam rekor kali ini, sistem pemanasan gelombang mikro elektron sangat penting
    • Sistem ini dapat memasok daya besar selama beberapa menit
  • Konversi energi 1,3 gigajoule dicapai dengan daya pemanasan rata-rata 2,7 megawatt
  • Pelepasan plasma berlangsung selama 480 detik, yaitu 8 menit
    • Ini merupakan rekor baru durasi pelepasan Wendelstein 7-X
    • Secara global juga termasuk salah satu nilai yang sangat baik
  • Sebelum pekerjaan penyempurnaan, waktu plasma maksimum Wendelstein 7-X hanya 100 detik pada daya pemanasan yang jauh lebih rendah

Target 18 gigajoule dan riset stellarator

  • Wendelstein 7-X menargetkan peningkatan konversi energi hingga 18 gigajoule dalam beberapa tahun ke depan
  • Untuk target ini, plasma harus dapat dipertahankan secara stabil selama 30 menit
  • Riset fusi bertujuan mengembangkan pembangkit listrik yang ramah iklim dan lingkungan, dengan menghasilkan energi melalui fusi inti atom seperti pada Matahari
  • Max Planck Institute for Plasma Physics meneliti jalur fusi kurungan magnetik
    • Reaksi fusi hanya menyala pada suhu di atas 100 juta derajat Celsius
    • Bahan bakar plasma hidrogen yang tipis tidak boleh bersentuhan dengan dinding wadah yang dingin
    • Plasma yang ditahan medan magnet melayang di dalam ruang vakum hampir tanpa kontak
  • Sangkar medan magnet Wendelstein 7-X dibentuk oleh cincin 50 kumparan magnet superkonduktor
  • Perangkat ini adalah fasilitas tipe stellarator, dan bentuk khusus kumparannya merupakan hasil perhitungan optimasi yang cermat
  • Melalui kumparan ini, kualitas pengurungan plasma stellarator ditargetkan mencapai tingkat fasilitas pesaing, yaitu tokamak

Bacaan terkait

1 komentar

 
GN⁺ 2023-08-12
Opini Hacker News

  • Ah, ternyata Wendelstein itu reaktor fusi stellarator. Stellarator adalah rancangan yang benar-benar keren, dan merupakan alternatif untuk tokamak
    Tokamak adalah reaktor berbentuk donat, tetapi punya masalah bahwa plasma di sisi keliling luar kurang terkurung secara magnetik. Stellarator juga mirip, tetapi mengurung plasma seperti pita dan melipatnya ke dalam susunan seperti pita Möbius
    Dulu saya cukup tertarik pada bidang ini, tetapi setelah beberapa tahun jadi lupa. Senang melihatnya benar-benar berfungsi
    https://en.wikipedia.org/wiki/Stellarator

    • Geometri struktur seperti ini benar-benar menarik. Biasanya kita cenderung hanya memikirkan bentuk-bentuk sederhana seperti segitiga, segi empat, atau paling-paling segi enam
      Saya masih ingat momen ketika saya cukup memahami radian hingga benar-benar memahami lingkaran dan bentuk gelombang. Selama beberapa tahun saya hanya mengerjakan soal tanpa tahu apa yang sedang saya lakukan, lalu ketika tiba-tiba paham, rasanya ada sesuatu yang berubah di kepala
      Saya ingin berpikir seperti Möbius, tetapi otak saya sekarang lebih terasa seperti berkata “tidak, terima kasih”
    • Saya penasaran mengapa bentuk pita Möbius lebih baik daripada torus. Apakah ini terkait dengan lebih mudahnya mengendalikan turbulensi aliran plasma?
    • Yang menarik, stellarator bukan sekadar alternatif, melainkan jalur evolusi yang sepenuhnya paralel. Bukan salah satunya ditemukan setelah yang lain, dan tampaknya para perancang kedua desain itu pun tidak mengetahui pekerjaan satu sama lain sampai desainnya selesai
      Yang lebih menarik lagi, fusor, rancangan yang mungkin paling sederhana untuk reaktor termonuklir, tampaknya justru ditemukan setelah stellarator dan tokamak. Desainnya cukup sederhana sehingga relatif mudah dibuat jika menguasai teknik elektro dan bisa memakai peralatan sipil yang sesuai
      Namun secara pribadi saya tidak terlalu menyukai desain stellarator. Kompleksitasnya sendiri terasa samar-samar seperti mendorong sesuatu ke arah yang keliru
      Meski begitu, untuk kasus seperti ini saya sungguh berharap terbukti salah. Bidang ini sudah sejak lama membutuhkan terobosan besar

  • Stellarator secara teori adalah desain yang lebih unggul daripada tokamak, dirancang untuk meniadakan gaya JxB. Di sini J adalah arus yang mengalir melalui plasma, dan B adalah medan magnet yang memandu plasma di dalam perangkat
    Jika plasma dipelintir dalam bentuk heliks sehingga rotasi B, yaitu nilai yang sebanding dengan J, menjadi sejajar dengan B, maka hasil kali silang menjadi 0, sehingga tidak ada gaya magnetohidrodinamika bersih yang bekerja pada plasma

    • Di sini kata secara teori jelas penting. Kalau ingatan saya benar, perangkat pendahulu Wendelstein membuat perusahaan-perusahaan rekayasa yang membuat komponennya bangkrut
      Toleransinya terlalu ketat, dan mereka beberapa kali gagal memasukkannya ke dalam batasan yang disyaratkan
    • Saat terakhir kali muncul di berita, kalau tidak salah pihak yang skeptis menyebut kepadatan plasma yang jauh lebih rendah daripada tokamak sebagai kelemahan utama stellarator. Karena itu, katanya sulit mendekati titik impas energi

  • Saya sempat penasaran apa yang dimaksud dengan energy turnover di sini
    Setelah mencari, ternyata disebutkan “Energy turnover is defined as the amount of heat multiplied by the duration of the discharge[1].” Di sini “amount of heat” sepertinya berarti “daya pemanasan yang disalurkan ke plasma”. Karena agar jika dikalikan waktu hasilnya bersatuan joule, nilai awalnya harus berupa daya
    1: https://gigazine.net/gsc_news/en/20230227-wendelstein-7-x-en...

    • Benar. Agak terselip di dalam artikel, tetapi tertulis “The energy turnover results from the coupled heating power multiplied by the duration of the discharge”
      Angkanya adalah “mencapai energy turnover 1,3 gigajoule dengan mempertahankan discharge selama 480 detik menggunakan daya pemanasan rata-rata 2,7 megawatt”
      Juga disebutkan bahwa “dalam beberapa tahun, energy turnover Wendelstein 7-X akan ditingkatkan menjadi 18 gigajoule, dan plasma akan dipertahankan stabil selama 30 menit”. Artinya mempertahankan 10 megawatt selama 30 menit
    • Bukankah ini mirip dengan turnover dalam arti finansial? Hubungan turnover : profit tampaknya mirip dengan hubungan energy turnover : keluaran energi bersih

  • Ini mungkin pertanyaan yang sudah jelas, tapi tetap ingin bertanya. Bagaimana daya listrik yang dihasilkan di sini diubah menjadi listrik yang bisa dipakai?
    Saya tahu reaktor fisi nuklir biasa memutar turbin uap dengan panas dari fisi nuklir. Tapi jika plasma itu sangat panas, dan harus “diapungkan” dengan medan magnet agar tidak menyentuh dinding bejana penahan, bagaimana panasnya dipindahkan ke medium lain untuk menghasilkan listrik?

    • Sebagian besar jawaban sebenarnya melewatkan mekanisme yang diusulkan
      Sebagian besar energi reaksi dibawa oleh neutron berenergi tinggi. Jadi untuk memulihkan energinya, neutron itu harus “ditangkap”. Neutron tidak bermuatan, sehingga tidak bisa langsung menghasilkan listrik, dan pada akhirnya hanya bisa dimanfaatkan sebagai panas
      Masalahnya, karena netral secara listrik, neutron juga relatif sulit ditangkap. Diperlukan material padat yang punya probabilitas tinggi untuk bertumbukan dengan inti atom. Desain yang diusulkan biasanya menempatkan blanket logam cair yang bersirkulasi di sekitar reaktor, lalu mengirimkannya ke lokasi untuk mendidihkan air, menghasilkan uap, dan memutar turbin
      Logam yang paling sering dibahas adalah litium, yang juga punya keuntungan dapat menghasilkan tritium saat terkena neutron. Tritium adalah separuh bahan bakar reaksi yang sangat langka
    • Saat ini, mereka pada dasarnya menjalankan heat sink raksasa, dan salah satu tantangan utama proyek ini juga bagaimana mendinginkannya. Namun pada akhirnya panas itu akan diubah menjadi listrik
      Jika Anda bisa bahasa Jerman, saya merekomendasikan episode ketika para pembawa acara podcast Alternativlos dua kali mengunjungi lokasi dan berbincang panjang dengan para peneliti. Rasanya seperti obrolan sesama nerd, jadi sangat menarik kalau Anda memahami bahasanya
      https://alternativlos.org/36/ (2016)
      https://alternativlos.org/51/ (yang paling baru, Mei 2023)
    • Sama seperti kebanyakan cara menghasilkan listrik. Energi yang dibuat digunakan untuk memanaskan air menjadi uap bertekanan tinggi, uap itu memutar turbin, dan turbin memutar generator untuk menghasilkan arus bolak-balik tiga fase
      Perangkat ini tidak secara khusus dikonfigurasi seperti itu, dan sejauh yang saya tahu belum ada perangkat semacam itu. Secara teknik ini masalah yang relatif sederhana, dan tidak terlalu perlu dibuat sampai fusi bisa dipertahankan selama berbulan-bulan
      Namun metode yang sedang dikembangkan Helion Energy adalah salah satu konsep fusi menjanjikan yang tidak membutuhkan seluruh proses seperti ini. Mereka belum menghasilkan daya bersih, tetapi idenya punya potensi dan menghindari masalah umum pada cara pembangkit fusi lain. Saya tidak menganggapnya sebagai jawaban final untuk bidang ini, tetapi tampaknya cukup mungkin berperan sebagai tahap transisi antara stellarator besar dan fisi nuklir
    • Karena plasma bersuhu jutaan derajat, meski tidak menyentuh dinding secara langsung, ia meradiasikan banyak energi dan memanaskan dinding. Dengan mendinginkan dinding saja, fluida pendingin bisa dipanaskan cukup untuk kemudian menghasilkan uap
      Namun sejauh yang saya tahu, perangkat Wendelstein tidak dikonfigurasi untuk produksi listrik, jadi saat ini pendinginannya benar-benar hanya untuk mendinginkan
    • Saya tidak tahu apakah ini juga berlaku untuk reaktor spesifik ini, tetapi jawaban umumnya adalah memasang sistem pendingin pada dinding di sekelilingnya, lalu pendingin yang melewati dinding membawa panas keluar untuk melakukan kerja yang berguna

  • Saya sangat menyukai tim ini. Mereka menaklukkan satu per satu tantangan teknik dalam rencana untuk sepenuhnya mengarakterisasi dan mengendalikan aliran fusi
    Dalam perlombaan menuju pembangkit listrik fusi yang berfungsi, mereka kadang tampak seperti kura-kura, tetapi mereka menjawab pertanyaan-pertanyaan yang belum diselesaikan kubu tokamak, seperti manajemen suhu dinding dan mempertahankan fusi di dalam aliran[1]. Namun bias saya memang jauh lebih dekat ke sisi “D” dalam riset dan pengembangan, sehingga saat mengikuti ITER sering terasa seperti “R” murni
    [1] https://www.iter.org/of-interest/1188

  • Mumpung sedang membahas fusi, ada yang tahu bagaimana kabar SPARC dari Commonwealth Fusion Systems?
    Saya punya ekspektasi besar terhadap sistem mereka, tetapi bisa dimengerti bahwa setelah menerima investasi 2 miliar dolar, mereka masuk ke siklus pengembangan dan konstruksi yang mendalam. Jadi selama setahun terakhir halaman beritanya hanya berisi kontrak bisnis dan kabar penghargaan. Saya ingin mendengar bagaimana pembangunan reaktornya berjalan

    • Sahabat saya bekerja di sana mengembangkan subsistem diagnostik. Masih cukup lama sampai produk dikirimkan, dan banyak sistem sedang aktif dirancang dan diperbaiki
      Pada dasarnya mereka sangat sibuk, tetapi sepertinya masih butuh setidaknya 3–5 tahun lagi

  • Saya sudah mengikuti proyek ini selama 10 tahun dan menurut saya berhasil. Namun bagaimana proyek seperti ini bisa bergerak lebih cepat?
    Wendelstein 7-X tidak akan menghasilkan listrik yang dapat digunakan, dan perangkat ini dibuat sebagai tahap pendahulu untuk reaktor pembangkit listrik

    • Khususnya stellarator punya masalah siklus pengembangan yang sangat panjang. Mengembangkan algoritma untuk mengoptimalkan geometri koil saja membutuhkan penelitian bertahun-tahun, lalu pembuatan koil dan perakitan bejana vakum di sisi dalam koil juga jauh lebih sulit daripada tokamak
      Koilnya punya bentuk sangat tidak beraturan dengan toleransi ketat sehingga sulit dibuat, dan perakitan bejana vakum sulit karena koil menutupi area permukaan yang “mirip torus” jauh lebih banyak dibanding tokamak
      Saat ini ada banyak pekerjaan menarik di bidang optimisasi desain stellarator, tetapi mungkin masih butuh waktu lama sampai riset itu diwujudkan sebagai reaktor nyata
    • Kebanyakan tidak bisa dipercepat
      Bidang ini perlu lebih banyak pendanaan, tetapi pada titik tertentu sesuatu pada akhirnya harus dibangun, dan itu sendiri memakan waktu sangat lama. Regulasi dan birokrasi bisa diperbaiki, tetapi pada akhirnya tidak banyak waktu yang bisa dipangkas dengan aman
      Setelah ada model yang berfungsi, iterasi akan jauh lebih cepat, tetapi selama puluhan tahun kita seakan terus membentur tembok
    • Di podcast berbahasa Jerman Alternativlos, dua nerd mewawancarai orang-orang Wendelstein 7-X dan menanyakan secara spesifik apa yang menghambat kemajuan lebih cepat, dan jawabannya adalah uang
    • HSX sudah melakukannya lebih dulu lebih dari 10 tahun lalu. Membuat yang kecil itu mudah
      Namun sayangnya mesin yang layak dibuat, yaitu yang ukurannya relevan dengan pembangkit listrik, tidaklah kecil. Latihan tetap membantu
    • Apa alasan di balik pernyataan “Wendelstein 7-X tidak akan menghasilkan listrik yang dapat digunakan”?

  • Ada rekomendasi terkait bagi yang mengerti bahasa Jerman
    Podcast Alternativlos dari Felix Von Leitner dan Frank Rieger dua kali pergi ke Greifswald untuk mewawancarai orang-orang terkait Wendelstein. Episode pertama (http://alternativlos.org/36 , tahun 2016) terutama berfokus pada proses pengembangan dan konstruksi serta sejarahnya, sedangkan episode kedua, yang tayang tahun ini, membahas pencapaian dan masa depan fusi nuklir (http://alternativlos.org/51/)

  • Ingin bertanya kepada orang-orang yang paham bidang ini. Startup fusi nuklir mana yang terlihat menjanjikan? Bagaimana pendapat kalian tentang pendekatan inertial confinement? Bagaimana dengan Blue Laser Fusion yang baru mendapat pendanaan? Pemain lama TAE? Commonwealth, Helion, dan perusahaan lainnya?

    • Zap Energy. Setidaknya mereka memikirkan cara memanfaatkan ulang infrastruktur yang sudah ada
      https://www.neimagazine.com/news/newszap-energy-considers-re...
      Dan konsep mereka sendiri sangat aneh, jadi saya menyukainya. Dalam skenario terburuk pun, rasanya itu bisa berfungsi sebagai penggerak fusi di luar angkasa :)
      Dugaan saya, tanpa dana pemerintah, sebagian besar kemungkinan besar akan bangkrut. Kecuali ada keajaiban bahwa sejak percobaan pertama mereka benar-benar menemukan cara operasi berbiaya rendah yang istimewa, yang bisa mengalahkan solusi pembangkit listrik yang saat ini sudah sangat dioptimalkan
    • Saya menginvestasikan jumlah dana pribadi yang sulit diabaikan ke TAE (Tri-Alpha Energy). Mereka secara berkala menggalang pendanaan tambahan, jadi tidak terlalu sulit untuk ikut serta
      Secara keseluruhan, Tokamak Energy juga terlihat menjanjikan, jadi saya berencana berinvestasi di sana
    • Ada dua alasan mengapa saya melihat Helion sebagai yang paling menjanjikan
      Pertama, bahkan jika pembangkit fusi yang lebih tradisional bisa membuat plasma itu sendiri dalam perangkat yang tidak terlalu mahal—dan itu saja sudah asumsi besar—mekanisme pertukaran panas itu sendiri tampaknya akan sangat rumit dan mahal. Selain itu, karena ini pembangkit listrik berbasis mesin panas, lokasi pemasangan yang memungkinkan dan skala ekonomisnya juga akan terbatas
      Kedua, jika emisi CO2 berkurang, saya rasa perhatian juga akan tertuju pada kontribusi pembangkit listrik berbasis mesin panas terhadap pemanasan global. Helion memang juga akan menambahkan panas yang sebelumnya tidak ada ke Bumi, tetapi panas yang dihasilkan per energi listrik yang sama akan lebih sedikit. Ia juga tidak bergantung pada cara membuang semua panas itu ke sungai
      Saya tidak tahu apakah Helion benar-benar layak diwujudkan, tetapi rasanya seperti satu-satunya teknologi yang mungkin bisa diwujudkan
    • Tidak satu pun proyek yang sedang berjalan saat ini akan menghasilkan bahkan 1 erg pun sebagai listrik komersial. Mungkin saja ada teknologi pemrosesan material berbasis plasma yang menarik sebagai turunannya
      Biaya membangun pembangkit fusi kemungkinan akan jauh lebih mahal daripada pembangkit fisi berkapasitas serupa, padahal fisi saja sudah tidak kompetitif dan makin tertinggal dari hari ke hari. Kita perlu serius memikirkan kegunaan plasma yang terkurung stabil tetapi tidak berfusi. Keuntungannya, plasma itu tidak harus sangat panas. Dengan apa yang kita miliki sekarang pun, suhunya sudah cukup panas untuk beberapa penggunaan yang masuk akal

  • “Rekor baru durasi discharge Wendelstein 7-X: plasma panas bisa dipertahankan selama 8 menit” jelas merupakan tonggak penting
    Namun perlu dicatat bahwa yang sedang diuji saat ini adalah sistem pemanasannya. Ini bukan berarti reaksi fusi nuklir sungguhan telah terjadi