Can instalaciones de fusión de tokamak, los dispositivos más utilizados para recolectar en la Tierra las reacciones de fusión que alimentan el sol y las estrellas, desarrollarse más rápidamente para producir de forma segura, limpio, y energía virtualmente ilimitada para generar electricidad? El físico Jon Menard del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) ha examinado esa pregunta en una mirada detallada al concepto de un tokamak compacto equipado con imanes superconductores de alta temperatura (HTS). Dichos imanes pueden producir campos magnéticos más altos, necesarios para producir y mantener reacciones de fusión, de lo que sería posible de otro modo en una instalación compacta.

Menard presentó por primera vez el documento, ahora publicado en Transacciones filosóficas de la Royal Society A , a un taller de la Royal Society en Londres que exploró la aceleración del desarrollo de la energía de fusión producida por tokamak con tokamaks compactos. "Este es el primer artículo que documenta cuantitativamente cómo los nuevos superconductores pueden interactuar con la alta presión que producen los tokamaks compactos para influir en cómo se optimizan los tokamaks en el futuro, ", Dijo Menard." Lo que intentamos desarrollar fueron algunos modelos simples que capturan aspectos importantes de un diseño integrado ".

Hallazgos "muy significativos"

Los hallazgos son "muy significativos, "dijo Steve Cowley, director de PPPL. Cowley señaló que "los argumentos de Jon en este artículo y en el anterior han sido muy influyentes en el reciente informe de las Academias Nacionales de Ciencias, "que exige un programa de EE. UU. para desarrollar una planta piloto de fusión compacta para generar electricidad al menor costo posible". Jon realmente ha descrito los aspectos técnicos de los tokamaks mucho más pequeños que utilizan imanes de alta temperatura, "Dijo Cowley.

Tokamaks compactos, que puede incluir instalaciones esféricas como el Experimento-Actualización del Toro Esférico Nacional (NSTX-U) que está en reparación en PPPL y el Tokamak Esférico Mega Ampere (MAST) en Gran Bretaña, proporcionar algunas características ventajosas. Los dispositivos, con forma de manzanas sin corazón en lugar de tokamaks convencionales en forma de rosquilla, puede producir plasmas de alta presión que son esenciales para reacciones de fusión con campos magnéticos relativamente bajos y rentables.

Tales reacciones fusionan elementos ligeros en forma de plasma:el calor, estado cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos para liberar energía. Los científicos buscan replicar este proceso y esencialmente crear una estrella en la Tierra para generar abundante electricidad para los hogares. granjas, e industrias de todo el mundo. La fusión podría durar millones de años con poco riesgo y sin generar gases de efecto invernadero.

Extiende el examen anterior

El estudio de Menard amplía su examen anterior de un diseño esférico que podría desarrollar materiales y componentes para un reactor de fusión y servir como planta piloto para producir energía eléctrica. El documento actual proporciona un análisis detallado de las complejas compensaciones que los experimentos futuros deberán explorar cuando se trata de integrar tokamaks compactos con imanes HTS. "Nos damos cuenta de que no existe una única innovación con la que se pueda contar para lograr un gran avance para hacer que los dispositivos sean más compactos o económicos, Menard dijo. "Tienes que mirar un sistema integrado completo para saber si estás obteniendo beneficios de campos magnéticos más altos".

El documento se centra en cuestiones clave en el tamaño del agujero, definida como la "relación de aspecto, "en el centro del tokamak que contiene y da forma al plasma. En los tokamaks esféricos, este agujero puede tener la mitad del tamaño del agujero en los tokamaks convencionales, correspondiente a la forma de manzana con núcleo del diseño compacto. Si bien los físicos creen que las relaciones de aspecto más bajas pueden mejorar la estabilidad y el confinamiento del plasma, "no lo sabremos en el lado del confinamiento hasta que realicemos experimentos en el NSXT-U y las actualizaciones MAST, "Dijo Menard.

Las relaciones de aspecto más bajas proporcionan un entorno atractivo para los imanes HTS, cuya alta densidad de corriente puede producir los fuertes campos magnéticos que requiere la fusión dentro del espacio relativamente estrecho de un tokamak compacto. Sin embargo, Los imanes superconductores necesitan un blindaje grueso para protegerse del daño y el calentamiento del bombardeo de neutrones. dejando poco espacio para que un transformador induzca corriente en el plasma para completar el campo de torsión cuando se reduce el tamaño del dispositivo. Para diseños de relación de aspecto más baja, los científicos tendrían que desarrollar nuevas técnicas para producir parte o la totalidad de la corriente de plasma inicial.

200 a 300 megavatios de energía eléctrica

Mantener el plasma para generar los 200 a 300 megavatios de energía eléctrica que examina el documento también requeriría un confinamiento más alto que el que suelen lograr los regímenes operativos estándar de tokamak. Tal producción de energía podría conducir a desafiantes flujos de neutrones de fusión que limitarían la vida útil estimada de los imanes del HTS a uno o dos años de operación a plena potencia. Un blindaje más grueso podría aumentar sustancialmente esa vida útil, pero también reduciría el suministro de energía de fusión.

De hecho, será necesario un gran desarrollo para los imanes HTS, que aún no se han construido a escala. "Probablemente llevará años armar un modelo de los elementos esenciales de los requisitos de tamaño del imán y los factores relacionados en función de la relación de aspecto, "Dijo Menard.

La línea de fondo, él dijo, es que la relación de aspecto más baja "realmente vale la pena investigar en función de estos resultados". Los beneficios potenciales de proporciones más bajas, El lo notó, incluyen la producción de densidad de potencia de fusión, la producción crucial de potencia de fusión por volumen de plasma, que supera la producción de las relaciones de aspecto convencionales. "La fusión debe volverse más atractiva, "Menard dijo, "por lo que es importante evaluar los beneficios de las relaciones de aspecto más bajas y cuáles son las compensaciones".