Proporcionando Fusion: Super-X de MAST, Experimentos de Deuterio-Tritio de JET para ITER y más

Hemos estado operando reactores de fisión nuclear en todo el mundo durante muchos años, pero la fusión nuclear siempre parece estar a una o dos décadas de distancia. Aunque no se puede predecir cuándo alcanzaremos el objetivo de la fusión nuclear continua, la vanguardia en los dispositivos de prueba está progresando rápidamente, lo que nos hace optimistas. A partir de este mes y continuando durante algunos años, estamos viviendo un momento muy emocionante para la fusión nuclear y la física del plasma.

El Mega-Amp Sphere Tokamak (MAST) ha recibido una actualización importante para probar un nuevo diseñador refrigerado. JET (Joint European Torus) probará la mezcla deuterio-tritio, que alimentará el ITER (el proyecto de investigación cuyo nombre comenzó como un acrónimo de International Thermonuclear Experimental Reactor pero luego se cambió a ITER solamente). Y la estrella Wendelstein 7-X vuelve a estar en línea con distracciones refrigeradas actualizadas para el próximo año.

Aquí, las desviaciones Super-X de la Actualización MAST han mostrado hasta ahora una disminución de diez veces en la temperatura a la que está expuesta la desviación, transportando energía térmica desde el reactor tokamak. Esto significa un diseñador y, en última instancia, un reactor de fusión que durará más entre sesiones de mantenimiento. En el lado estelar, las nuevas desviaciones Wendelstein 7-X pueden permitirle mostrar la primera operación continua de un reactor de fusión estelar. Mientras tanto, los experimentos de combustible de JET deberían permitirnos probar el combustible deuterio-tritio mientras el ITER está trabajando en un primer plasma para 2025.

Física nuclear en modo difícil

La razón por la que hemos descubierto cómo utilizar la fisión nuclear en un entorno comercial tan rápidamente se puede resumir básicamente, ya que es un proceso que ocurre fácilmente por sí mismo. La dificultad con la fisión nuclear domina aún más la reacción en cadena nuclear, que requiere un equilibrio entre la moderación y la absorción de neutrones en los neutrones térmicos y los reactores de agua ligera (LWR) comunes.

Por otro lado, la fusión es un juego completamente diferente. En lugar de usar algunos de los isótopos más pesados ​​y transportar algunos neutrones hacia ellos para transformar algunos de ellos en energía, la fusión nuclear usa los isótopos más ligeros (isótopos de hidrógeno) posibles e intenta fusionarlos. Obviamente, este no es un proceso que ocurre fácilmente por sí mismo, a menos que se tome una gran cantidad de hidrógeno y se permita una gran cantidad de presión gravitacional para desencadenar el proceso de fusión, como sucede en las estrellas.

Dibujo de 2016 de las diferentes secciones del reactor de fusión ITER que se encuentra actualmente en construcción.

Si bien en la Tierra podemos encontrar los restos de reactores de fisión naturales hoy en día de una época en la que había más uranio-235 natural, la fusión obviamente se ha limitado a las estrellas, incluido nuestro Sol. Como resultado, la única forma en que lograremos la fusión nuclear en una reacción sostenida en la Tierra es creando la presión, temperatura y otras condiciones adecuadas que permitan que los isótopos de hidrógeno vencen su miedo a la barrera de las palomas y se fusionen para que puedan liberarse. mucha energía en el proceso.

Aquí hay una breve razón por la que han pasado más de cien años desde el primer descubrimiento del proceso de fusión. Cien años de cuidadosa experimentación y el uso de nuevos materiales y tecnologías analíticas para mejorar nuestra comprensión del plasma físico de alta temperatura y nuestra capacidad para crear y mantener las condiciones para la fusión en dicho plasma contenido.

Buscando el equilibrio

Una métrica esencial para determinar qué tan bien está diseñado un reactor de fusión nuclear es el factor Q. Ésta es la relación entre la energía de entrada y la de salida. Para que un reactor de fusión se ponga en marcha, literalmente debe calentarse, lo que cuesta energía. Mantener estas temperaturas de funcionamiento de 100 millones de grados Celsius o más requiere una cierta cantidad de entrada de energía; prevenir el enfriamiento del plasma es un área de investigación.

Idealmente, la reacción se volverá autosostenida, en la que la reacción de fusión proporciona la energía necesaria para mantener la temperatura del plasma y la reacción de fusión. Sin embargo, incluso con algo de energía de entrada requerida, el factor Q debe ser mayor que 1 para dar como resultado una producción de energía real. Básicamente, esto significa más energía de la que requieren el generador de campo magnético del reactor y otros elementos.

Con los experimentos JET de deuterio-tritio del próximo mes, el objetivo es ver si estos combustibles pueden aumentar el producto energético. Actualmente JET ha alcanzado una Q de 0,67, que espera mejorar. Se prevé que el sucesor de ITER (DEMO) deberá alcanzar una Q de al menos 25 para justificar económicamente los reactores de fusión. ITER debe alcanzar una Q de 10.

Descripción esquemática de un módulo de desviación propuesto para el reactor de fusión coreano K-DEMO planeado.

Las desviaciones Super-X, probadas por una actualización MAST, podrían ayudar aquí mejorando la eficiencia de la reacción de fusión. Uno de los propósitos de estas desviaciones es limpiar el plasma eliminando elementos no deseados, como los átomos de helio, que se producen como resultado del proceso de fusión. Mantener el plasma estable y limpio son dos factores esenciales para que un reactor de fusión funcione de manera eficiente.

A pesar de esto, los campos magnéticos en estos proyectos de tokamak que contienen el plasma continúan formando una fuente de dolores de cabeza constantes, ya que el plasma ya no se contenta con moverse en patrones simples y predecibles. Entre la inestabilidad torcida y las órbitas de los plátanos (transporte neoclásico), el plasma tiende a mostrar movimientos repentinos alejándose del centro del campo magnético. Hacer frente a esto de forma eficaz sigue siendo una preocupación importante, también porque puede provocar pérdidas de combustible a medida que se escapa del campo magnético.

Esta es un área donde el diseño de stellarator puede mejorar el proyecto tokamak.

Cool Flow

Interior de la constelación Wendelstein 7-X durante el mantenimiento.

En comparación con el diseño simple y redondo de tokamak, las estrellas parecen ser curiosas en el mejor de los casos, pero esto se debe a que estos reactores de fusión siguen el comportamiento del plasma en lugar de buscar controlarlo. La configuración de la bobina magnética de aspecto casi orgánico es el resultado de modelar el plasma para encontrar una configuración que esencialmente funcione con el plasma sobrecalentado en lugar de contra él.

Como diseño de estrella moderno, el Wendelstein 7-X (W7-X) incluye todo el conocimiento sobre estos complejos dispositivos. Desde el primer plasma en 2015, el rendimiento de W7-X ha sido esencialmente impecable, por lo que en 2018 comenzó la siguiente ronda de actualizaciones. Esto implica, entre otros cambios, la instalación de los desvíos refrigerados por agua.

En diez tiras dobles curvadas, las placas deflectoras siguen el plasma retorcido dentro del Wendelstein 7-X. (Crédito: IPP)

Con las desviaciones en frío, el tiempo de funcionamiento era limitado, pero el objetivo con el nuevo y mejorado W7-X es realizar un funcionamiento continuo durante hasta 30 minutos. Teniendo en cuenta que para los proyectos de tokamak, el tiempo de ejecución de más de un minuto se considera bastante bueno, esto sería un logro importante.

Aunque el W7-X no está destinado a producir más energía de la que se le pone, cumple la importante función de demostrar que el diseño de una constelación de reactores de fusión es al menos tan capaz como el proyecto tokamak. Esto hace que la próxima serie de experimentos sea bastante emocionante. Desafortunadamente, debido a la pandemia de SARS-CoV-2 que ha ocupado el mundo durante más de un año, las actualizaciones de W7-X se han retrasado, por lo que es poco probable que se reanuden los experimentos hasta el próximo año.

Mucho que esperar

Gran parte de los reactores de fusión nuclear ha sido un curso intenso y bastante implacable en física del plasma y otras áreas elementales de la física. Cuando la suposición optimista que se hizo en la década de 1950 sobre la fusión nuclear “a sólo unos años de distancia” se reprimió severamente cuando los dibujos en Z-pinch resultaron imprácticos, el campo pareció desaparecer en la opinión del público durante muchos años.

Se han publicado innumerables artículos científicos durante muchas décadas y parece que ahora podemos considerarnos con cautela al borde de los reactores de fusión nuclear realmente factibles. Aunque no es suficiente "en los próximos años", ITER y tokamaks relacionados como CFETR de China nos dan esperanza para los reactores tokamak. Mientras tanto, el progreso de W7-X forma un enfoque alternativo que puede funcionar tan bien, peor o mejor que los tokamaks.

Con el plasma quemado de deuterio-tritio del ITER todavía al menos dentro de catorce años, tenemos mucho que esperar con estos experimentos actuales de tokamak en los laboratorios JET y MAST. Cuando obtengamos los primeros resultados experimentales de W7-X en los próximos años, tal vez sean lo suficientemente prometedores como para lanzar una versión estelar de ITER. Cualquiera que sea el caso, esta década parece una en la que la fusión nuclear se está multiplicando lentamente.

  • blanco dice:

    "La fusión, obviamente, se mantuvo limitada a las estrellas"

    Er, ¿y bombas de hidrógeno?

  • Palmadita dice:

    Es importante tener en cuenta que W7-X y MAST son instalaciones puramente de plasma, no se trata de una fusión efectiva. Lo que significa que no hay radiación, ni neutrones, etc. Las pruebas JET DT son en realidad pruebas de fusión.

    Es esta extraña idea que de alguna manera instalaciones como ITER y W7-X estén compitiendo de alguna manera, lo cual es una locura. Parte de la razón por la que ITER es tan grande es que * no está * diseñado como una instalación de plasma. Está diseñado como una función de * fusión *, lo que significa que todos los detalles de "lo averiguaremos más tarde" omitidos deben finalmente procesarse. En otras palabras, ITER es, en cierto sentido, más una instalación de investigación de materiales radiactivos que una planta de fusión.

    Solo como un ejemplo, por ejemplo, el desarrollo de un reproductor práctico de tritio es algo esencial para cualquier reactor de fusión y nunca lo hemos hecho en este momento: ahora no hay suficiente tritio en el mundo para operar un reactor comercial (de * cualquier * proyecto) durante más de unos meses.

    Ninguna de estas instalaciones compite realmente. Solo se enfocan en diferentes problemas del desarrollo de un reactor de fusión, que es * mucho * más que solo la física del plasma.

Isabella Ortiz
Isabella Ortiz

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