Después de una década de diseño y fabricación, General Atomics está listo para enviar el primer módulo del Solenoide Central, el imán más poderoso del mundo. Se convertirá en un componente central de ITER, una máquina que reproduce el poder de fusión del sol. ITER está siendo construido en el sur de Francia por 35 países socios.

La misión del ITER es demostrar que la energía de la fusión del hidrógeno se puede crear y controlar en la Tierra. La energía de fusión no contiene carbono, seguro y economico. Los materiales que alimentaron a la sociedad con la fusión del hidrógeno durante millones de años son fácilmente abundantes.

A pesar de los desafíos de Covid-19, ITER está construido casi en un 75 por ciento. Durante los últimos 15 meses, Los primeros componentes masivos han comenzado a llegar a Francia desde tres continentes. Cuando se ensamblan juntos, conformarán el ITER Tokamak, un "sol en la tierra" para demostrar la fusión a escala industrial.

ITER es una colaboración de 35 países socios:la Unión Europea (más el Reino Unido y Suiza), Porcelana, India, Japón, Corea, Rusia y Estados Unidos. La mayor parte de la financiación del ITER se realiza en forma de componentes aportados. Este arreglo impulsa a empresas como General Atomics a ampliar su experiencia en las tecnologías futuristas necesarias para la fusión.

El solenoide central, el más grande de los imanes de ITER, estará compuesto por seis módulos. Es una de las contribuciones más importantes de Estados Unidos al ITER.

Totalmente ensamblado, Tendrá 18 metros (59 pies) de alto y 4,25 metros (14 pies) de ancho, y pesará mil toneladas. Inducirá una corriente potente en el plasma ITER, ayudando a dar forma y controlar la reacción de fusión durante pulsos largos. A veces se le llama el "corazón que late" de la máquina ITER.

¿Qué tan poderoso es el solenoide central? Su fuerza magnética es lo suficientemente fuerte como para levantar un portaaviones 2 metros (6 pies) en el aire. En su centro, alcanzará una fuerza de campo magnético de 13 Tesla, alrededor de 280, 000 veces más fuerte que el campo magnético terrestre. Las estructuras de soporte para el solenoide central deberán soportar fuerzas iguales al doble del empuje del despegue de un transbordador espacial.

A principios de este año, General Atomics (GA) completó las pruebas finales del primer módulo de solenoide central. Esta semana se cargará en un camión de transporte pesado especial para su envío a Houston, donde se colocará en un buque de alta mar para su envío al sur de Francia.

El solenoide central desempeñará un papel fundamental en la misión del ITER de establecer la energía de fusión como una práctica, fuente segura e inagotable de limpieza, electricidad abundante y libre de carbono.

"Este proyecto se encuentra entre los más grandes, los programas magnet más complejos y exigentes jamás realizados, "dice John Smith, Director de Ingeniería y Proyectos de GA. "Hablo en nombre de todo el equipo cuando digo que este es el proyecto más importante y significativo de nuestras carreras. Todos hemos sentido la responsabilidad de trabajar en un trabajo que tiene el potencial de cambiar el mundo. Este es un logro significativo para la AG equipo y US ITER ".

Los módulos de solenoide central se fabrican en el Magnet Technologies Center de GA en Poway, California, cerca de San Diego, bajo la dirección del proyecto US ITER, administrado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL). Cinco módulos de solenoide central adicionales, más uno de repuesto, se encuentran en varias etapas de fabricación. El módulo 2 se enviará en agosto.

La promesa de la fusión

La fusión de hidrógeno es un método ideal para generar energía. El combustible de deuterio está fácilmente disponible en agua de mar, y el único subproducto es el helio. Como un gas carbón, o planta de fisión, una planta de fusión proporcionará una alta concentración, energía de carga base durante todo el día. Sin embargo, la fusión no produce emisiones de gases de efecto invernadero ni residuos radiactivos de larga duración. El riesgo de accidentes con una planta de fusión es muy limitado:si se pierde la contención, la reacción de fusión simplemente se detiene.

La energía de fusión está más cerca de lo que muchas personas creen. Podría proporcionar una fuente de electricidad libre de carbono para la red, desempeñando un papel clave a medida que EE. UU. y otras naciones descarbonizan su infraestructura de generación. Dos informes recientes publicados por la comunidad de la fusión establecen las formas en que EE. UU. Puede llegar allí.

En diciembre, El Comité Asesor de Ciencias de la Energía de Fusión del Departamento de Energía de EE. UU. publicó un informe que establece un plan estratégico para la investigación de la energía de fusión y la ciencia del plasma durante la próxima década. Requiere el desarrollo y la construcción de una planta piloto de fusión para 2040.

En febrero de este año, las Academias Nacionales de Ciencias, Ingenieria, and Medicine (NASEM) publicó un informe complementario pidiendo una acción agresiva para construir una planta de energía piloto. El informe NASEM propone un diseño para 2028 y una planta piloto de fusión en la línea de tiempo 2035-2040.

"El objetivo de trabajar a partir de este cronograma fue delinear lo que se necesitaría para tener un impacto en la transición hacia la reducción de las emisiones de carbono para mediados de siglo. Muchas inversiones y actividades esenciales tendrían que comenzar ahora para cumplir con ese cronograma, "dice Kathy McCarthy, Director de la Oficina del Proyecto ITER de EE. UU. En el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. "La experiencia que estamos obteniendo del ITER en forma integrada, La ingeniería a escala de reactor es invaluable para realizar una camino práctico hacia la energía de fusión ".

Aprovechar los recursos globales para la investigación de la fusión

ITER ("The Way" en latín) es uno de los proyectos energéticos más ambiciosos jamás realizados. En el sur de Francia, una coalición de 35 naciones está colaborando para construir el dispositivo de fusión tokamak más grande y poderoso. La campaña experimental que se llevará a cabo en el ITER es fundamental para preparar el camino para las centrales de fusión del mañana.

En virtud del acuerdo ITER de 2006, todos los miembros compartirán por igual la tecnología desarrollada mientras financian solo una parte del costo total. Estados Unidos contribuye con alrededor del nueve por ciento de los costos de construcción del ITER.

"El proyecto ITER es la colaboración científica más compleja de la historia, "dice el Dr. Bernard Bigot, Director General de la Organización ITER. "Empresas líderes como General Atomics están fabricando componentes de primera clase muy desafiantes en tres continentes durante un período de casi 10 años. Cada componente representa un equipo de ingeniería de primer nivel. Sin esta participación global, ITER no hubiera sido posible; pero como un esfuerzo combinado, cada equipo aprovecha su inversión con lo que aprende de los demás ".

Tanto los conocimientos de ingeniería como los datos científicos generados por ITER serán fundamentales para el programa de fusión de EE. UU. Al igual que con los otros miembros, la mayoría de las contribuciones de los Estados Unidos se realizan en forma de fabricación en especie. Este enfoque permite a los países miembros apoyar la fabricación nacional, crear trabajos de alta tecnología, y desarrollar nuevas capacidades en la industria privada.

"La entrega del primer módulo de solenoide central ITER es un hito emocionante para la demostración de la energía de fusión y también un gran logro de la capacidad de EE. UU. Para construir grandes, campo alto imanes superconductores de alta energía, "dice el Dr. Michael Mauel de la Universidad de Columbia." El éxito de GA en la construcción, pruebas, y la entrega de imanes superconductores de alto campo para la energía de fusión es un avance de alta tecnología para los EE. UU. y da confianza en la realización de la energía de fusión en el futuro ".

"Estados Unidos es un miembro vital del proyecto ITER, que iniciaron hace décadas, "Bigot explica, "Atómica general, con su experiencia de clase mundial tanto en la fabricación compleja como en el control preciso de los campos magnéticos, es un excelente ejemplo de la notable experiencia aportada por científicos e ingenieros estadounidenses ".

ITER será el primer dispositivo de fusión en producir energía neta a través del plasma, lo que significa que la reacción de fusión generará más energía térmica que la energía necesaria para calentar el plasma. ITER también será el primer dispositivo de fusión que mantendrá la fusión durante largos períodos de tiempo. ITER generará 500 megavatios de energía de fusión térmica, más de treinta veces el récord actual alcanzado en el tokamak JET en el Reino Unido.

ITER tendrá muchas capacidades que van mucho más allá de los tokamaks actuales. Aunque ITER no generará electricidad, será un banco de pruebas crítico para las tecnologías integradas, materiales y los regímenes físicos necesarios para la producción comercial de electricidad basada en la fusión. Las lecciones aprendidas en ITER se utilizarán para diseñar la primera generación de centrales eléctricas de fusión comerciales.

"El ITER desempeña un papel central en las actividades de investigación de quema de plasma en los EE. UU. Y es el siguiente paso crítico en el desarrollo de la energía de fusión, "Dice el Dr. Mauel.

El solenoide central en contexto

El Magnet Technologies Center en General Atomics fue desarrollado específicamente para fabricar el Solenoide Central, el electroimán superconductor pulsado más grande y poderoso jamás construido, en asociación con US ITER.

La creación de campos magnéticos en un tokamak requiere tres matrices diferentes de imanes. Las bobinas externas alrededor del anillo del tokamak producen el campo magnético toroidal, confinando el plasma dentro del recipiente. Las bobinas poloidales, un conjunto de anillos apilados que orbitan el tokamak paralelo a su circunferencia, controlar la posición y la forma del plasma.

En el centro del tokamak, el solenoide central usa un pulso de energía para generar una poderosa corriente toroidal en el plasma que fluye alrededor del toro. El movimiento de iones con esta corriente crea a su vez un segundo campo magnético poloidal que mejora el confinamiento del plasma, además de generar calor para la fusión. A 15 millones de amperios, La corriente de plasma de ITER será mucho más poderosa que cualquier cosa posible en los tokamaks actuales.

El material superconductor utilizado en los imanes del ITER se produjo en nueve fábricas de seis países. Los 43 kilómetros (26,7 millas) de superconductor de niobio y estaño para el solenoide central se fabricaron en Japón.

Juntos, Los imanes de ITER crean una jaula invisible para el plasma que se adapta con precisión a las paredes metálicas del tokamak.

Hacer el solenoide central

La fabricación del primer módulo comenzó en 2015. Estuvo precedida por casi cuatro años de colaboración con expertos del ITER de EE. UU. Para diseñar el proceso y las herramientas para fabricar los módulos.

Cada 4,25 metros (14 pies) de diámetro, 110 toneladas (250, 000 libras) requiere más de dos años de fabricación de precisión a partir de más de 5 kilómetros (3 millas) de cable superconductor de niobio y estaño con revestimiento de acero. El cable está enrollado con precisión en plano, "panqueques" en capas que deben empalmarse cuidadosamente.

Para crear el material superconductor dentro del devanado del módulo, el módulo debe tratarse térmicamente con cuidado en un horno grande, que funciona de manera similar a la de un horno de convección que se encuentra en muchas cocinas. El beneficio del horno de convección es la capacidad de acortar el proceso general mientras se mantiene una "cocción" uniforme del módulo. Dentro del horno el módulo pasa aproximadamente diez días y medio a 570 ° C (1, 060 ° F) y cuatro días adicionales a 650 ° C (1200 ° F). Todo el proceso dura unas cinco semanas.

Después del tratamiento térmico, el cable está aislado para garantizar que no se produzcan cortocircuitos eléctricos entre vueltas y capas. Durante el aislamiento de turno, el módulo debe desenrollarse sin sobrecargar el conductor, que ahora es sensible a la tensión debido al tratamiento térmico.

Para realizar la envoltura, las vueltas del módulo se estiran como un slinky, permitiendo que los cabezales de encintado envuelvan el aislamiento de fibra de vidrio / Kapton alrededor del conductor. Una vez que se envuelven los giros individuales, las superficies externas del módulo se envuelven con aislamiento de tierra. El aislamiento del suelo consta de 25 capas de fibra de vidrio y láminas de Kapton. El aislamiento de tierra también debe ajustarse firmemente alrededor de las características complejas de la bobina, como las entradas de helio.

Después del aislamiento, el módulo está encerrado en un molde, y 3, 800 litros (1, 000 galones) de resina epoxi se inyectan al vacío, para saturar los materiales aislantes y evitar burbujas o huecos. Cuando se endurece a 650 ° C (260 ° F), el epoxi fusiona todo el módulo en una sola unidad estructural.

El módulo terminado se somete a una serie de pruebas exigentes, colocándolo en las condiciones extremas que experimentará durante el funcionamiento del ITER, incluyendo vacío casi completo y temperaturas criogénicas requeridas para que el imán se convierta en superconductor (4.5 Kelvin, que equivale a aproximadamente -450 ° F o -270 ° C).

Las lecciones aprendidas en el primer módulo de solenoide central se han aplicado a la fabricación de las siguientes seis bobinas.

"Para aquellos de nosotros que hemos dedicado nuestras carreras a la investigación de la fusión, este es sin duda un momento emocionante, "dijo el Dr. Tony Taylor, Vicepresidente de energía de fusión magnética de GA. "Cuando el módulo parte para su viaje a Francia, todos podremos estar orgullosos de una contribución muy significativa en el camino hacia la energía de fusión ".

Envío a Francia

La construcción de ITER involucra más de 1 millón de componentes, fabricado en todo el mundo. Muchos de estos componentes son muy grandes, y los módulos de solenoide central se encuentran entre los más pesados. El proceso de envío de los imanes masivos requiere vehículos de transporte pesado especializados. Todo el proceso para cargar y asegurar de forma segura el módulo en el camión, incluidos los preparativos para la elevación, tardará aproximadamente una semana.

Después de cargar, el módulo se enviará a Houston, Texas, donde se colocará en un barco para su transporte al emplazamiento del ITER. El primer módulo se hará a la mar a finales de julio y llegará a Francia a finales de agosto. El tránsito terrestre hasta el emplazamiento del ITER tendrá lugar a principios de septiembre.

"Fusion tiene el potencial de proporcionar la energía respetuosa con el medio ambiente como un reemplazo realista de los combustibles fósiles durante este siglo, "Dice Bigot." Con un suministro mundial casi ilimitado de combustible, también tiene el potencial —complementado con las energías renovables— de transformar la geopolítica del suministro de energía. No se me ocurre mejor ilustración de esa acción transformadora que el proyecto ITER, donde nuestros socios estadounidenses trabajan en estrecha colaboración con contribuyentes de China, Europa, India, Japón, Corea del Sur, y Rusia, como un solo equipo dedicado a lograr el objetivo común de un futuro energético brillante ".