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Feb 19, 2024

Este reactor de fusión se mantiene unido con cinta

Una cinta superconductora de alta temperatura está detrás de la esperanza de un tokamak más pequeño. El reactor de fusión Sparc necesitará 10.000 kilómetros de esta cinta superconductora de alta temperatura. En el sitio de un

Una cinta superconductora de alta temperatura está detrás de la esperanza de crear un tokamak más pequeño

El reactor de fusión Sparc necesitará 10.000 kilómetros de esta cinta superconductora de alta temperatura.

En el sitio En una antigua base de la Reserva del Ejército de EE. UU. cerca de Boston, una estructura inusual se eleva entre las colinas. Brandon Sorbom, director científico de Commonwealth Fusion Systems (CFS), me lleva hacia el centro de la huella en forma de cruz del edificio, zigzagueando entre andamios, montacargas y equipos de soldadores y pintores. Al bajar una escalera hasta un sótano profundo con paredes de hormigón de 2,5 metros de espesor, señala un gran agujero circular en el centro del alto techo de la habitación, cuyos bordes están sostenidos por cuatro robustas columnas.

“Dentro de unos meses, si cumplimos con el cronograma, ahí es donde descansará el tokamak Sparc”, dice Sorbom. Rodeando una cámara de vacío en forma de rosquilla, una pila de 3 metros de altura de imanes superconductores de alta temperatura creará un poderoso campo magnético para comprimir y acorralar una masa arremolinada y sobrecalentada de plasma de hidrógeno. Imitando el proceso que alimenta el sol, los iones de hidrógeno (isótopos llamados deuterio y tritio) se acelerarán y chocarán con tal fuerza que se fusionarán formando helio y liberarán neutrones altamente energéticos.

Commonwealth Fusion Systems dice que este carrete de cinta superconductora de alta temperatura es clave para el diseño de tokamak más pequeño y económico de la startup. La cinta está hecha de óxido de itrio, bario y cobre depositado sobre un sustrato de acero. Gretchen Ertl/CFS/MIT Plasma Science and Fusion Center

CFS, una startup surgida de décadas de investigación en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), se encuentra entre los líderes de una nueva ola de proyectos de energía de fusión que han surgido en la última década, aprovechando los avances tecnológicos así como una aumento de la inversión del sector privado. Las empresas de energía de fusión han recaudado más de 5.000 millones de dólares, la mayor parte desde 2021, según Andrew Holland, director de la Fusion Industry Association. Todas estas empresas pretenden demostrar una ganancia de energía positiva (sacar más energía de sus reacciones de la que se utiliza para desencadenarlas) para finales de la década.

"En ese momento, estaremos un paso más cerca de una nueva era de electricidad de base libre de carbono", afirma Sorbom. "Solo esperamos poder hacerlo a tiempo para ser una parte importante de la solución a la crisis climática".

La investigación, construcción y prueba del primer imán de Commonwealth Fusion Systems requirió la experiencia de 270 miembros del equipo, incluidos los que se muestran aquí durante la construcción. Gretchen Ertl/CFS/MIT Plasma Science and Fusion Center

Dennis Whyte [izquierda], director del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT, y el director ejecutivo de Commonwealth Fusion Systems, Bob Mumgaard, conferencian en la sala de pruebas del MIT, donde la startup construyó y probó su primer imán. Gretchen Ertl/CFS/MIT Plasma Science y Centro de Fusión

En septiembre de 2021, Commonwealth Fusion Systems probó el primero de los imanes de campo toroidal en forma de D de su reactor. El imán demostró un campo magnético que medía 20 tesla. Gretchen Ertl/CFS/MIT Plasma Science and Fusion Center

Hasta ahora, Commonwealth Fusion Systems ha almacenado alrededor de un tercio de los 10.000 kilómetros de cinta superconductora de alta temperatura que necesitará para completar su reactor Sparc. Gretchen Ertl/CFS/MIT Plasma Science and Fusion Center

Lo que distingue a la tecnología de CFS es el uso de cinta superconductora de alta temperatura, que se coloca en capas y se apila para crear electroimanes extremadamente fuertes que darán forma y confinarán el plasma rebelde y mantendrán la mayor parte de las partículas cargadas alejadas de las paredes del tokamak. La compañía cree que este novedoso enfoque le permitirá construir un tokamak de alto rendimiento que es mucho más pequeño y menos costoso de lo que sería posible con enfoques anteriores.

Actualmente, existen dos vías principales de investigación sobre la energía de fusión. El confinamiento magnético utiliza electroimanes para confinar el plasma, normalmente dentro de un tokamak. El confinamiento inercial comprime y calienta un objetivo lleno de combustible (a menudo utilizando láseres) para iniciar una reacción.

El progreso en ambos enfoques se está acelerando debido a los avances tanto en la ciencia de los materiales como en la computación, el modelado y la simulación de alta velocidad. Entre la multitud del confinamiento magnético, CFS lidera el grupo en recaudación de fondos, habiendo obtenido más de $2 mil millones para construir su planta piloto Sparc.

En general, los materiales superconductores pueden conducir electricidad de corriente continua sin resistencia ni pérdida de energía cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica. Los imanes superconductores de alta temperatura (HTS), como su nombre indica, pueden superconducir a temperaturas mucho más altas que los imanes superconductores utilizados tradicionalmente en los tokamaks, que normalmente necesitan sistemas de refrigeración más complejos y costosos que utilizan helio líquido. Aunque una “temperatura alta” podría sugerir algo que podría quemarle, los materiales HTS funcionan en un rango de 20 a 77 kelvin (alrededor de –200 a –250 °C). Todavía hace frío, pero es mucho más cálido de lo que se necesita para los superconductores típicos, que sólo pueden funcionar a temperaturas cercanas al cero absoluto.

"Estos nuevos materiales están abriendo un nuevo camino hacia la energía de fusión, porque además de sus capacidades superconductoras a temperaturas criogénicas más altas, también son capaces de atravesar campos magnéticos muy altos", afirma Scott Hsu, asesor principal del Departamento de Energía de Estados Unidos. Energy (DOE) y el coordinador principal de fusión de la agencia. "Estas propiedades brindan la posibilidad de diseñar sistemas de fusión más pequeños, menos complejos y de menor costo que son más rápidos de construir y más fáciles de desmontar para su mantenimiento".

Los tokamaks compactos como el CFS podrían revertir las tendencias de desarrollo que han dominado los últimos 40 años de la energía de fusión, que se han centrado en construir máquinas cada vez más grandes. El más grande con diferencia es Iter, un esfuerzo de colaboración internacional para construir un tokamak enorme en Cadarache, Francia. En construcción desde 2013, el experimento de fusión Iter (anteriormente llamado Reactor Experimental Termonuclear Internacional) ha devorado la mayoría de los fondos públicos del mundo dedicados a la investigación de la energía de fusión. La Organización Iter que supervisa el proyecto estima ahora un precio de 22 mil millones de dólares para el experimento. , eclipsando la estimación original de 2006 de 5.600 millones de dólares.

"Iter es un experimento tremendamente interesante y útil, pero tiene un problema de tamaño", dice Sorbom del CFS. "Si de alguna manera pudieras encoger ese tokamak, podrías construirlo mucho más rápido y más barato".

Pero eso no va a suceder. Con el horizonte de planificación a largo plazo y la estructura de colaboración internacional de Iter, está demasiado avanzado para beneficiarse de los imanes HTS de vanguardia que están permitiendo a CFS construir su tokamak Sparc de una cuadragésima parte del tamaño de Iter, en una fracción del tiempo y el costo. .

Es tentador evocar una narrativa de “David y Goliat” a partir de la historia de pequeñas empresas como CFS que se enfrentan a Iter, uno de los experimentos científicos más caros de todos los tiempos. Pero en muchos sentidos, Sparc de CFS se apoya en Iter. El proyecto Iter ha aumentado considerablemente el conocimiento de los investigadores sobre la fusión por confinamiento magnético y ha estimulado el desarrollo de la cadena de suministro global y la fuerza laboral altamente especializadas de la industria. De hecho, cada uno de los seis fundadores de CFS ha trabajado en diferentes aspectos de Iter y ha contribuido a su física fundamental.

Entre ellos se encuentra el físico del plasma Bob Mumgaard, quien fue pionero en formas de medir la distribución de la corriente eléctrica dentro de los plasmas tokamak. En 2015, Mumgaard se reunió con un grupo de colegas investigadores del MIT para repensar el enfoque de la energía de fusión. Los superconductores de alta temperatura habían ido mejorando gradualmente desde 1986, cuando fueron descubiertos por los investigadores de IBM Johannes Georg Bednorz y Karl Alexander Müller, un logro que les valió a ambos el Premio Nobel de Física de 1987. Desde entonces, los experimentos con materiales cerámicos y de tierras raras y nuevas configuraciones han impulsado el rendimiento de los HTS y han elevado las temperaturas a las que pueden funcionar. Esto ha mejorado radicalmente lo que se puede hacer con líneas de transmisión de alto voltaje, resonancias magnéticas y almacenamiento de energía.

"Cuando estos materiales finalmente estuvieron disponibles comercialmente, nos dimos cuenta de que no necesitábamos realizar avances físicos adicionales", dice Mumgaard, cofundador de CFS en 2018 y ahora es el director ejecutivo de la empresa. “De hecho, desde el punto de vista de un físico, nuestras máquinas parecen un poco aburridas; Nos basamos en la física del plasma que está bien establecida por Iter y otros experimentos. En cambio, decidimos poner todo nuestro riesgo en la tecnología magnética. Teorizamos que podríamos obtener un rendimiento extremadamente alto mediante la fuerza bruta del campo magnético”.

El superconductor elegido por el equipo fue el óxido de itrio, bario y cobre, o YBCO. Para fabricar cinta YBCO, algunos fabricantes utilizan primero un láser para vaporizar YBCO a granel en una columna. Luego, esa columna se deposita como una fina película de YBCO sobre un sustrato de acero, al que sigue un proceso de oxigenación para cambiar la estructura del YBCO a un estado que permita la superconductividad.

Después de que los experimentos de Sorbom, que se convirtieron en la base de su tesis doctoral, confirmaron que la cinta YBCO podía resistir el impacto de los neutrones rápidos extraídos de los átomos en fusión, un equipo conjunto del MIT/CFS comenzó el complicado proceso de adquirir la costosa y frágil cinta HTS y enrollarla. en bobinas. Durante dos años, el equipo logró comprar la mayor parte del suministro mundial de cintas HTS de 4 milímetros de ancho (la mayor cantidad de cintas HTS jamás adquirida) y abastecerlas en lugares tan lejanos como Japón y Rusia.

Los técnicos enrollaron minuciosamente la cinta en 16 bobinas, que luego se ensamblaron en una "pila de panqueques" para crear un campo magnético toroidal que podría rodear una sección de tokamak. En septiembre de 2021, en el Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT, el equipo activó el imán y observó cómo el campo que producía se fortaleció hasta alcanzar una intensa intensidad de 20 teslas, unas 400.000 veces más fuerte que el valor típico del campo magnético de la Tierra, y más que lo suficientemente fuerte. sacar un portaaviones del agua. El equipo mantuvo el imán energizado en estado estable durante aproximadamente 5 horas.

"Demostramos que básicamente podíamos construir a mano 16 bobinas y ensamblarlas en un imán de alto rendimiento", dice Sorbom. "¿Pero podemos hacer eso una y otra vez y hacerlo muy rápidamente?"

CFS necesitará 10.000 kilómetros de cinta superconductora de alta temperatura para construir los 18 imanes de campo toroidal que mantendrán contenido el plasma turbulento de su reactor de fusión.

SFC

Para magnetizar a Sparc, el equipo CFS necesitará duplicar esa hazaña 18 veces. Cerca del sitio de Sparc, una instalación de ensamblaje de imanes está aumentando su producción. "Hemos reducido el tiempo de montaje a la mitad, pero tendremos que reducir ese tiempo nuevamente a un factor de cuatro para poder hacerlo según lo previsto", afirma Sorbom. Cada uno de los paquetes de devanados se construirá y probará, luego se integrará en bobinas de campo toroidal y se trasladará a una sala de ensamblaje final, donde las 18 bobinas idénticas y las estructuras circundantes se consolidarán y luego se instalarán alrededor del tokamak.

Sin antecedentes, el proceso de creación de imanes del CFS representa el camino más crítico para todo el proyecto, y uno que se complica por los desafíos de la cadena de suministro. CFS ha estado trabajando para establecer proveedores adicionales en Estados Unidos, Europa y Asia, y para desarrollar capacidades de fabricación internas, lo que sentará las bases para la construcción de plantas de energía de fusión en el futuro.

Ahmed Diallo, director de programas de fusión de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) del DOE, encuadra la escasez de HTS en términos de competitividad nacional. “China está presionando para fabricar 3.000 kilómetros de cinta HTS al año, y nos gustaría poder producir más de 10.000 kilómetros al año para mantener la fusión en la vía rápida. En este momento estamos buscando formas novedosas de generar procesos de fabricación de alto rendimiento y también reducir el costo”, lo que puede agregar $100 millones o más al precio de un tokamak magnetizado con HTS.

"Estamos pasando de producir unos pocos centímetros al año a cientos de kilómetros", dice Guinevere Shaw, directora de programas de la Oficina de Ciencias de la Energía de Fusión del DOE. "Para que Estados Unidos lidere la construcción de tokamaks, debemos descubrir cómo dar un salto adelante en la producción de HTS, que es una empresa compleja que muy pocas instituciones pueden hacer".

De los 10.000 kilómetros de cinta que se necesitarán para Sparc, CFS dice que actualmente tiene alrededor de un tercio en el sitio y pedidos en firme para el resto. Después del ensamblaje, el cronograma de la compañía exige que el dispositivo genere el primer plasma a fines de 2025 y luego demuestre un factor de ganancia de energía de fusión (Q) mayor que 1; en otras palabras, una ganancia neta, lo que significa que la reacción de fusión produce más energía de la que es. necesarios para sostenerlo, a más tardar a principios de 2026. Se trata de un cronograma agresivo y casi todos los proyectos de fusión hasta la fecha no han cumplido sus promesas optimistas.

Y, sin embargo, la física del plasma para Sparc fue validada en una serie de siete artículos revisados ​​por pares publicados en el Journal of Plasma Physics. Las simulaciones de CFS predicen que el diseño Sparc producirá entre 50 y 100 megavatios de energía de fusión, logrando un Q mayor que 10, lo que es proporcional a las proyecciones del factor de ganancia para Iter.

Por difícil que sea, producir con éxito una ganancia de energía de 10 o más en un experimento de fusión puede resultar más fácil que el desafío posterior de utilizar la fusión nuclear para poner electricidad en la red. Para este último desafío, CFS ya está trabajando en lo que, según la compañía, será la primera planta de energía de fusión del mundo. Arc, como la empresa ha denominado al sucesor de Sparc, se diseñará para demostrar la tecnología necesaria para una producción en masa económicamente competitiva de energía de fusión.

"Estamos haciendo gran parte del trabajo en Arc en paralelo con Sparc, de modo que tendremos los subsistemas listos y los socios", dice Sorbom, quien señala que CFS actualmente participa en docenas de colaboraciones con laboratorios y universidades nacionales de EE. UU. así como institutos de investigación internacionales.

Pero, a diferencia de las propias reacciones de fusión (donde la teoría física está bien establecida, aunque sólo se ejecute parcialmente), muchas preguntas fundamentales siguen sin respuesta cuando se trata de producir electricidad a partir de la fusión nuclear. El desafío de ingeniería de construir sistemas complejos que puedan recolectar la energía y convertirla en electricidad sin ser destruidos por la radiación plantea una serie de grandes obstáculos en ingeniería y ciencia de materiales.

Entre ellos se encuentra un medio para extraer calor del dispositivo para generar energía eléctrica. En este punto, el enfoque preferido del CFS es utilizar una capa de sal fundida, que también podría generar tritio (también conocido como hidrógeno-3), un isótopo raro utilizado para alimentar reactores de confinamiento magnético.

Los técnicos instalan filtros en una sala limpia de la “fábrica de imanes” de Commonwealth Fusion Systems, el gran edificio donde la empresa está construyendo los imanes del reactor Sparc. En las salas blancas, los imanes se refinan con la ayuda de robots, como este azul en primer plano, para eliminar la suciedad. SFC

Un técnico de calidad utiliza un escáner 3D para inspeccionar una parte de una de las bobinas de campo poloidal durante la construcción. El escáner utiliza luz láser azul para medir la estructura y garantizar que todo cumpla con los requisitos de diseño del imán.CFS

El equipo de fabricación lleva el dispositivo de trabajo para uno de los imanes de campo toroidal de Sparc a través de la fábrica de imanes de 108,000 pies cuadrados. Cada uno de los 18 imanes de campo toroidal de Sparc se construirá encima de un dispositivo de trabajo similar. SFC

El diseño de trabajo requiere que se bombee un circuito de sal que fluye continuamente a un tanque que rodea la cámara de plasma, donde absorbe los neutrones radiados. Luego, la sal fundida se bombea fuera del tokamak, donde su energía térmica se transfiere a un fluido que impulsa una turbina para generar electricidad. Debido a que casi toda la energía que produce Arc será absorbida por la capa de sales fundidas, se minimiza la carga en el sistema de enfriamiento del imán.

La sal fundida probablemente será una mezcla de fluoruro de litio y fluoruro de berilio, conocida como FLiBe. Esta combinación permite que la sal cumpla una doble función como medio de reproducción en el que algunos de los neutrones de fusión interactúan con los átomos de litio y los convierten en tritio. Luego, el tritio se filtra del manto y se recicla para convertirlo en combustible de fusión.

FLiBe es el foco de una asociación de investigación en curso con el Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT, financiada por ARPA-E. Es uno de varios programas del DOE que están impulsando la investigación de la fusión con subvenciones y asociaciones entre la industria privada y los laboratorios nacionales del DOE. Pero si FLiBe funcionará mejor que otros enfoques (si es que funciona) sigue siendo una suposición fundamentada.

La colaboración de investigación financiada por el DOE ilustra la diferencia en los enfoques entre países. En la mayoría de los países, la fusión se persigue dentro de vías de desarrollo especificadas por el gobierno.

Commonwealth Fusion Systems espera que su reactor de fusión Sparc pueda producir entre 50 y 100 megavatios de energía y demostrar una ganancia neta superior a 10. El éxito de Sparc es un paso crucial para que la fusión se convierta en una fuente de energía económicamente competitiva, un resultado que espera CFS. el sucesor del reactor, Arc, para cumplir.

T. Henderson/CFS/MIT Centro de Fusión y Ciencia del Plasma

Bobinas de campo toroidales:Estos 18 imanes primarios en forma de D rodean el tokamak y fuerzan al plasma a adoptar forma de rosquilla.

Solenoide central:Este imán impulsa una corriente eléctrica a través del plasma para hacer que se gire, lo que evita que el plasma se expanda hacia afuera.

Bobinas de campo poloidal:Estos imanes, ubicados tanto en la parte superior como en la inferior del reactor, mantienen el plasma en su lugar para que no se desvíe demasiado en ninguna dirección.

Antenas de calentamiento de ciclotrón de iones:También llamadas antenas de calentamiento por radiofrecuencia, estas antenas bombardean el plasma con ondas de radio de 120 megahercios para calentarlo.

Plasma:Compuesto por dos isótopos de hidrógeno (deuterio y tritio), el plasma es el combustible que impulsa el proceso de fusión.

Desviador:Básicamente, el desviador absorbe el exceso de calor del plasma y lo convierte en trozos de tungsteno.

Recipiente de vacío:La cámara que contiene el plasma debe mantenerse al vacío para evitar la contaminación de otras moléculas de aire, que impedirían la reacción de fusión.

"En Estados Unidos, nuestra nueva estrategia para acelerar la I+D en energía de fusión es asociarnos con el sector privado, dirigiendo la financiación pública de manera que apalanque y fomente el flujo de capital privado hacia una cartera diversificada de enfoques tecnológicos y de comercialización de fusión", dice Scott Hsu de la DOE, que en mayo anunció 46 millones de dólares en financiación basada en hitos para avanzar en el desarrollo de la fusión comercial a través de asociaciones público-privadas.

Estas inversiones, junto con un flujo constante de hitos técnicos, están aumentando la confianza en la posibilidad de una escala de tiempo cada vez más acelerada para la energía de fusión. En mayo, Microsoft firmó el primer acuerdo del mundo para comprar energía de fusión a la startup de fusión Helion Energy. El plan de Helion para su reactor, actualmente en construcción, es producir 50 MW de energía a partir de 2028. Y una encuesta reciente de la Fusion Industry Association entre profesionales que trabajan en empresas privadas de fusión encontró que el 93 por ciento de los encuestados cree que la energía de fusión comenzará a suministrar electricidad a la red para la década de 2030, frente al 83 por ciento del año anterior.

Dado que los efectos del cambio climático continúan acumulándose, ese día no puede llegar lo suficientemente pronto para Sorbom y otros en la industria, que esperan impulsar sus tecnologías para suministrar energía limpia y libre de carbono.

"Aunque todavía no está sucediendo lo suficientemente rápido, el progreso que hemos logrado durante la última década parece un poco surrealista", dice Sorbom. “Hace diez años, estaba escribiendo un artículo académico sobre el uso de imanes HTS para generar energía de fusión y ahora los estamos construyendo. Estoy viendo lo que sucede a mi alrededor. Tal vez realmente haya un futuro en el que saquemos miles de estas plantas al mundo para 2050 y resolvamos la crisis climática. Eso es en lo que pienso cada vez que entro al estacionamiento”.

Este artículo aparece en la edición impresa de agosto de 2023 como “Tale of the Tape”.