El Nuevo Diseño Finalmente Podría Ayudar A Acercar El Poder De Fusión A La Realidad

Una nueva investigación está ayudando a acercar el poder de fusión a la realidad

Una vista en corte del reactor ARC propuesto. Gracias a la nueva y poderosa tecnología de imanes, el reactor ARC, mucho más pequeño y menos costoso, entregaría la misma potencia de salida que un reactor mucho más grande. Ilustración cortesía del equipo MIT ARC

Los avances en la tecnología de imanes han permitido MIT Los científicos proponen un nuevo diseño para un reactor de fusión tokamak compacto y práctico.

Es una vieja broma que muchos científicos de la fusión se han cansado de escuchar: las plantas de energía de fusión nuclear prácticas están a solo 30 años de distancia, y siempre lo estarán.

Pero ahora, finalmente, la broma puede que ya no sea cierta: los avances en la tecnología de imanes han permitido a los investigadores del MIT proponer un nuevo diseño para un reactor de fusión tokamak compacto y práctico, y es uno que podría realizarse en tan solo una década, dijeron. decir. La era de la energía de fusión práctica, que podría ofrecer un recurso energético casi inagotable, puede estar acercándose.

El uso de estos nuevos superconductores disponibles en el mercado, cintas superconductoras de óxido de cobre y bario de tierras raras (REBCO), para producir bobinas de alto campo magnético, “simplemente ondula a través de todo el diseño”, dice Dennis Whyte, profesor de Ciencia e Ingeniería Nuclear y director del MIT. Centro de Fusión y Ciencia del Plasma. “Cambia todo”.

El campo magnético más fuerte permite producir el confinamiento magnético requerido del supercaliente plasma – es decir, el material de trabajo de una reacción de fusión – pero en un dispositivo mucho más pequeño que los previstos anteriormente. La reducción de tamaño, a su vez, hace que todo el sistema sea menos costoso y más rápido de construir, y también permite algunas características nuevas e ingeniosas en el diseño de la planta de energía. El reactor propuesto, que utiliza una geometría tokamak (en forma de rosquilla) que se ha estudiado ampliamente, se describe en un artículo en la revista Fusion Engineering and Design, en coautoría de Whyte, el candidato a doctorado Brandon Sorbom y otros 11 en el MIT. El artículo comenzó como una clase de diseño impartida por Whyte y se convirtió en un proyecto dirigido por estudiantes después de que terminó la clase.

Prototipo de central eléctrica

El nuevo reactor está diseñado para la investigación básica sobre la fusión y también como un prototipo de planta de energía potencial que podría producir energía significativa. El concepto de reactor básico y sus elementos asociados se basan en principios probados y probados desarrollados durante décadas de investigación en el MIT y en todo el mundo, dice el equipo.

“El campo magnético mucho más alto”, dice Sorbom, “le permite lograr un rendimiento mucho mayor”.

La fusión, la reacción nuclear que impulsa al sol, implica la fusión de pares de átomos de hidrógeno para formar helio, acompañada de enormes liberaciones de energía. La parte difícil ha sido confinar el plasma supercaliente, una forma de gas cargado eléctricamente, mientras se calienta a temperaturas más altas que los núcleos de las estrellas. Aquí es donde los campos magnéticos son tan importantes: atrapan efectivamente el calor y las partículas en el centro caliente del dispositivo.

Si bien la mayoría de las características de un sistema tienden a variar en proporción a los cambios en las dimensiones, el efecto de los cambios en el campo magnético sobre las reacciones de fusión es mucho más extremo: la potencia de fusión alcanzable aumenta según la cuarta potencia del aumento del campo magnético. Por lo tanto, duplicar el campo produciría un aumento de 16 veces en la potencia de fusión. “Cualquier aumento en el campo magnético te da una gran ventaja”, dice Sorbom.

Aumento de diez veces el poder

Si bien los nuevos superconductores no producen una duplicación considerable de la intensidad del campo, son lo suficientemente fuertes como para aumentar la potencia de fusión en aproximadamente un factor de 10 en comparación con la tecnología de superconductores estándar, dice Sorbom. Esta espectacular mejora conduce a una cascada de posibles mejoras en el diseño de reactores.

Se espera que el reactor de fusión planeado más poderoso del mundo, un enorme dispositivo llamado ITER que está en construcción en Francia, cueste alrededor de $40 mil millones. Sorbom y el equipo del MIT estiman que el nuevo diseño, aproximadamente la mitad del diámetro del ITER (que fue diseñado antes de que los nuevos superconductores estuvieran disponibles), produciría aproximadamente la misma energía a una fracción del costo y en un tiempo de construcción más corto.

Pero a pesar de la diferencia de tamaño y fuerza del campo magnético, el reactor propuesto, llamado ARC, se basa en “exactamente la misma física” que ITER, dice Whyte. “No estamos extrapolando a un régimen completamente nuevo”, agrega.

Otro avance clave en el nuevo diseño es un método para retirar el núcleo de energía de fusión del reactor en forma de rosquilla sin tener que desmontar todo el dispositivo. Eso lo hace especialmente adecuado para investigaciones destinadas a mejorar aún más el sistema mediante el uso de diferentes materiales o diseños para ajustar el rendimiento.

Además, al igual que con el ITER, los nuevos imanes superconductores permitirían que el reactor funcionara de forma sostenida, produciendo una potencia de salida constante, a diferencia de los reactores experimentales actuales que solo pueden funcionar durante unos segundos a la vez sin sobrecalentamiento de las bobinas de cobre.

Protección líquida

Otra ventaja clave es que la mayoría de los materiales sólidos utilizados para rodear la cámara de fusión en tales reactores se reemplazan por un material líquido que se puede hacer circular y reemplazar fácilmente, eliminando la necesidad de costosos procedimientos de reemplazo a medida que los materiales se degradan con el tiempo.

“Es un entorno extremadamente duro para los materiales [sólidos]”, dice Whyte, por lo que reemplazar esos materiales con un líquido podría ser una gran ventaja.

En este momento, tal como se diseñó, el reactor debería ser capaz de producir aproximadamente tres veces la electricidad necesaria para mantenerlo en funcionamiento, pero el diseño probablemente podría mejorarse para aumentar esa proporción a unas cinco o seis veces, dice Sorbom. Hasta ahora, ningún reactor de fusión ha producido tanta energía como consume, por lo que este tipo de producción neta de energía sería un gran avance en la tecnología de fusión, dice el equipo.

El diseño podría producir un reactor que proporcionaría electricidad a unas 100.000 personas, dicen. Se han construido dispositivos de complejidad y tamaño similares en unos cinco años, dicen.

“La energía de fusión seguramente será la fuente más importante de electricidad en la tierra en el siglo 22, pero la necesitamos mucho antes para evitar un calentamiento global catastrófico”, dice David Kingham, director ejecutivo de Tokamak Energy Ltd. en el Reino Unido, quien no estaba relacionado con esta investigación. “Este documento muestra una buena manera de lograr un progreso más rápido”, dice.

La investigación del MIT, dice Kingham, “muestra que ir a campos magnéticos más altos, una especialidad del MIT, puede conducir a dispositivos mucho más pequeños (y por lo tanto más baratos y más rápidos de construir)”. El trabajo es de “calidad excepcional”, dice; “El siguiente paso … sería refinar el diseño y trabajar más detalles de ingeniería, pero el trabajo ya debería estar captando la atención de los responsables políticos, filántropos e inversores privados”.

La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias.

Publicación : BN Sorbom, et al., “ARC: Una instalación de ciencia nuclear de fusión compacta, de alto campo y planta de energía de demostración con imanes desmontables”, Fusion Engineering and Design, 2015; doi: 10.1016 / j.fusengdes.2015.07.008

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