Un ejercicio de clase en el MIT, con la ayuda de investigadores de la industria, ha dado lugar a una solución innovadora para uno de los desafíos de larga data que enfrenta el desarrollo de plantas de energía de fusión prácticas:cómo deshacerse del exceso de calor que causaría daños estructurales a la planta.

La nueva solución fue posible gracias a un enfoque innovador de los reactores de fusión compactos, utilizando imanes superconductores de alta temperatura. Este método formó la base para un nuevo programa de investigación masivo lanzado este año en el MIT y la creación de una nueva empresa independiente para desarrollar el concepto. El nuevo diseño, a diferencia de las típicas plantas de fusión, permitiría abrir la cámara interna del dispositivo y reemplazar componentes críticos; esta capacidad es esencial para el mecanismo de drenaje de calor recientemente propuesto.

El nuevo enfoque se detalla en un artículo en la revista. Ingeniería y diseño de fusión , escrito por Adam Kuang, un estudiante graduado de esa clase, junto con otros 14 estudiantes del MIT, ingenieros de Mitsubishi Electric Research Laboratories y Commonwealth Fusion Systems, y el profesor Dennis Whyte, director del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT, quien enseñó la clase.

En esencia, Whyte explica, el desprendimiento de calor desde el interior de una planta de fusión se puede comparar con el sistema de escape de un automóvil. En el nuevo diseño, el "tubo de escape" es mucho más largo y ancho de lo que es posible en cualquiera de los diseños de fusión actuales, haciéndolo mucho más efectivo para eliminar el calor no deseado. Pero la ingeniería necesaria para hacerlo posible requirió una gran cantidad de análisis complejos y la evaluación de muchas docenas de posibles alternativas de diseño.

Domesticar el plasma de fusión

Fusion aprovecha la reacción que impulsa al sol mismo, manteniendo la promesa de producir finalmente limpio, abundante electricidad utilizando un combustible derivado del agua de mar:deuterio, una forma pesada de hidrógeno, y litio, por lo que el suministro de combustible es esencialmente ilimitado. Pero décadas de investigación sobre tales plantas generadoras de energía aún no han llevado a un dispositivo que produzca tanta energía como consume. mucho menos uno que realmente produce una producción neta de energía.

A principios de este año, sin embargo, La propuesta del MIT para un nuevo tipo de planta de fusión, junto con varios otros diseños innovadores que están siendo explorados por otros, finalmente hizo que el objetivo de la energía de fusión práctica pareciera estar al alcance. Pero quedan por resolver varios desafíos de diseño, incluida una forma eficaz de eliminar el calor interno del supercalor, material cargado eléctricamente, llamado plasma, confinado dentro del dispositivo.

La mayor parte de la energía producida dentro de un reactor de fusión se emite en forma de neutrones, que calientan un material que rodea el plasma de fusión, llamado manta. En una planta generadora de energía, esa manta calentada a su vez se usaría para impulsar una turbina generadora. Pero alrededor del 20 por ciento de la energía se produce en forma de calor en el plasma mismo, que de alguna manera hay que disipar para evitar que derrita los materiales que forman la cámara.

Ningún material es lo suficientemente fuerte para soportar el calor del plasma dentro de un dispositivo de fusión, que alcanza temperaturas de millones de grados, por lo que el plasma se mantiene en su lugar mediante potentes imanes que evitan que entre en contacto directo con las paredes interiores de la cámara de fusión en forma de rosquilla. En diseños típicos de fusión, se utiliza un conjunto separado de imanes para crear una especie de cámara lateral para drenar el exceso de calor, pero estos llamados desviadores son insuficientes para el alto calor en el nuevo, planta compacta.

Una de las características deseables del diseño ARC es que produciría energía en un dispositivo mucho más pequeño de lo que se requeriría de un reactor convencional de la misma potencia. Pero eso significa más poder confinado en un espacio más pequeño, y por lo tanto más calor para deshacerse.

"Si no hicimos nada con respecto al escape de calor, el mecanismo se rompería solo, "dice Kuang, quién es el autor principal del artículo, describiendo el desafío que el equipo abordó y finalmente resolvió.

Trabajo interno

En diseños de reactores de fusión convencionales, las bobinas magnéticas secundarias que crean el desviador se encuentran fuera de las primarias, porque simplemente no hay forma de colocar estas bobinas dentro de las bobinas primarias sólidas. Eso significa que las bobinas secundarias deben ser grandes y potentes, para hacer que sus campos penetren en la cámara, y como resultado, no son muy precisos en cómo controlan la forma del plasma.

Pero el nuevo diseño originado por el MIT, conocido como ARC (para avanzado, robusto, y compacto) cuenta con imanes integrados en secciones para que se puedan quitar para el servicio. Esto permite acceder a todo el interior y colocar los imanes secundarios dentro de las bobinas principales en lugar de en el exterior. Con este nuevo arreglo, "con solo acercarlos [al plasma] pueden reducirse significativamente de tamaño, "dice Kuang.

En la clase de posgrado de un semestre 22.63 (Principios de ingeniería de fusión), los estudiantes se dividieron en equipos para abordar diferentes aspectos del desafío del rechazo al calor. Cada equipo comenzó haciendo una búsqueda exhaustiva de la literatura para ver qué conceptos ya se habían probado, luego hicieron una lluvia de ideas para llegar a múltiples conceptos y gradualmente eliminaron aquellos que no funcionaron. Aquellos que tenían promesas fueron sometidos a cálculos y simulaciones detallados, basado, en parte, en datos de décadas de investigación sobre dispositivos de fusión de investigación como Alcator C-Mod del MIT, que se retiró hace dos años. El científico de C-Mod Brian LaBombard también compartió ideas sobre nuevos tipos de desviadores, y dos ingenieros de Mitsubishi también trabajaron con el equipo. Varios de los estudiantes continuaron trabajando en el proyecto después de que terminó la clase, conduciendo finalmente a la solución descrita en este nuevo documento. Las simulaciones demostraron la efectividad del nuevo diseño que eligieron.

"Fue realmente emocionante, lo que descubrimos, "Dice Whyte. El resultado son desviadores cada vez más largos, y que mantienen el plasma controlado con mayor precisión. Como resultado, pueden soportar las intensas cargas de calor esperadas.

"Quieres que el 'tubo de escape' sea lo más grande posible, "Whyte dice, explicando que la colocación de los imanes secundarios dentro de los primarios lo hace posible. "Es realmente una revolución para el diseño de una planta de energía, ", dice. No solo los superconductores de alta temperatura utilizados en los imanes del diseño ARC permiten un diseño compacto, planta de energía de alta potencia, él dice, "pero también brindan muchas opciones" para optimizar el diseño de diferentes maneras, que incluyen, resulta, este nuevo diseño de desviador.

Avanzando, ahora que se ha desarrollado el concepto básico, hay mucho espacio para un mayor desarrollo y optimización, incluida la forma exacta y la ubicación de estos imanes secundarios, dice el equipo. Los investigadores están trabajando para desarrollar aún más los detalles del diseño.

"Esto abre nuevos caminos para pensar en los desviadores y la gestión del calor en un dispositivo de fusión, "Dice Whyte.