Hace dos años y medio, El MIT celebró un acuerdo de investigación con la empresa de nueva creación Commonwealth Fusion Systems para desarrollar un experimento de investigación de fusión de próxima generación. llamado SPARC, como precursor de una práctica, Planta de energía libre de emisiones.

Ahora, después de muchos meses de intenso trabajo de investigación e ingeniería, Los investigadores encargados de definir y perfeccionar la física detrás del ambicioso diseño del reactor han publicado una serie de artículos que resumen el progreso que han logrado y describen las preguntas clave de investigación que permitirá SPARC.

En general, dice Martin Greenwald, subdirector del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT y uno de los científicos principales del proyecto, el trabajo avanza sin problemas y por buen camino. Esta serie de artículos proporciona un alto nivel de confianza en la física del plasma y las predicciones de rendimiento para SPARC, él dice. No han aparecido impedimentos inesperados ni sorpresas, y los desafíos restantes parecen ser manejables. Esto establece una base sólida para el funcionamiento del dispositivo una vez construido, según Greenwald.

Greenwald escribió la introducción de un conjunto de siete artículos de investigación escritos por 47 investigadores de 12 instituciones y publicados hoy en un número especial de la Revista de física del plasma . Juntos, los artículos describen la base física teórica y empírica del nuevo sistema de fusión, que el consorcio espera comenzar a construir el próximo año.

Se planea que SPARC sea el primer dispositivo experimental en lograr un "plasma ardiente", es decir, una reacción de fusión autosostenida en la que diferentes isótopos del elemento hidrógeno se fusionan para formar helio, sin necesidad de ningún aporte adicional de energía. Estudiar el comportamiento de este plasma en llamas, algo nunca antes visto en la Tierra de manera controlada, se considera información crucial para desarrollar el siguiente paso, un prototipo funcional de una práctica, Planta de generación de energía.

Estas centrales eléctricas de fusión podrían reducir significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero del sector de generación de energía. una de las principales fuentes de estas emisiones a nivel mundial. El proyecto MIT y CFS es uno de los mayores proyectos de investigación y desarrollo financiados con fondos privados jamás emprendidos en el campo de la fusión.

El diseño SPARC, aunque aproximadamente el doble del tamaño del experimento Alcator C-Mod ahora retirado del MIT y similar a varios otros reactores de fusión de investigación actualmente en funcionamiento, sería mucho más poderoso, lograr un rendimiento de fusión comparable al esperado en el reactor ITER, mucho más grande, que un consorcio internacional está construyendo en Francia. La alta potencia en un tamaño pequeño es posible gracias a los avances en los imanes superconductores que permiten un campo magnético mucho más fuerte para confinar el plasma caliente.

El proyecto SPARC se lanzó a principios de 2018, y trabajar en su primera etapa, el desarrollo de los imanes superconductores que permitirían la construcción de sistemas de fusión más pequeños, ha estado avanzando a buen ritmo. El nuevo conjunto de artículos representa la primera vez que la base física subyacente de la máquina SPARC se describe en detalle en publicaciones revisadas por pares. Los siete artículos exploran las áreas específicas de la física que debían refinarse aún más, y que aún requieren una investigación en curso para precisar los elementos finales del diseño de la máquina y los procedimientos operativos y las pruebas que estarán involucradas a medida que avanza el trabajo hacia la planta de energía.

Los artículos también describen el uso de cálculos y herramientas de simulación para el diseño de SPARC, que se han probado con muchos experimentos en todo el mundo. Los autores utilizaron simulaciones de vanguardia, ejecutar en supercomputadoras potentes, que se han desarrollado para ayudar al diseño de ITER. El gran equipo multiinstitucional de investigadores representado en el nuevo conjunto de artículos tenía como objetivo traer las mejores herramientas de consenso al diseño de la máquina SPARC para aumentar la confianza de que logrará su misión.

El análisis realizado hasta ahora muestra que la producción de energía de fusión planificada del reactor SPARC debería poder cumplir con las especificaciones de diseño con un margen cómodo de sobra. Está diseñado para lograr un factor Q, un parámetro clave que denota la eficiencia de un plasma de fusión, de al menos 2, esencialmente, lo que significa que se produce el doble de energía de fusión que la cantidad de energía bombeada para generar la reacción. Esa sería la primera vez que un plasma de fusión de cualquier tipo produce más energía de la que consume.

Los cálculos en este punto muestran que SPARC podría alcanzar una relación Q de 10 o más, según los nuevos papeles. Mientras Greenwald advierte que el equipo quiere tener cuidado de no hacer promesas excesivas, y queda mucho trabajo, los resultados hasta ahora indican que el proyecto al menos logrará sus objetivos, y específicamente cumplirá su objetivo clave de producir un plasma ardiente, donde el autocalentamiento domina el balance energético.

Las limitaciones impuestas por la pandemia de COVID-19 ralentizaron un poco el progreso, pero no mucho, él dice, y los investigadores están de vuelta en los laboratorios bajo nuevas pautas operativas.

En general, "Seguimos apuntando a que la construcción comience aproximadamente en junio del 21, "Dice Greenwald." El esfuerzo de la física está bien integrado con el diseño de ingeniería. Lo que estamos tratando de hacer es poner el proyecto en la base física más firme posible, para que estemos seguros de cómo funcionará, y luego proporcionar orientación y responder preguntas para el diseño de ingeniería a medida que avanza ".

Muchos de los detalles finos todavía se están trabajando en el diseño de la máquina, cubriendo las mejores formas de introducir energía y combustible en el dispositivo, apagando el poder, lidiar con transitorios térmicos o de potencia repentinos, y cómo y dónde medir parámetros clave para monitorear el funcionamiento de la máquina.

Hasta aquí, solo ha habido cambios menores en el diseño general. El diámetro del reactor se ha incrementado en aproximadamente un 12 por ciento, pero poco más ha cambiado, Dice Greenwald. "Siempre está la cuestión de un poco más de esto, un poco menos de eso, y hay muchas cosas que pesan en eso, problemas de ingeniería, tensiones mecánicas, tensiones térmicas, y también está la física:¿cómo afecta el rendimiento de la máquina? "

La publicación de este número especial de la revista, él dice, "representa un resumen, una instantánea de la base de la física tal como está hoy ". Aunque los miembros del equipo han discutido muchos aspectos en las reuniones de física, "esta es nuestra primera oportunidad de contar nuestra historia, hazlo revisado, obtener el sello de aprobación, y difundirlo en la comunidad ".

Greenwald dice que todavía hay mucho que aprender sobre la física de la quema de plasmas, y una vez que esta máquina esté en funcionamiento, Se puede obtener información clave que ayudará a allanar el camino hacia la comercialización, dispositivos de fusión que producen energía, cuyo combustible, los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio, puede estar disponible en cantidades prácticamente ilimitadas.

Los detalles del plasma ardiente "son realmente novedosos e importantes, ", dice." La gran montaña que tenemos que superar es comprender este estado autocalentado de un plasma ".

En general, Greenwald dice:el trabajo que se ha realizado en el análisis presentado en este paquete de artículos "ayuda a validar nuestra confianza en que lograremos la misión. No nos hemos topado con nada en lo que digamos, 'Oh, esto es una predicción de que no llegaremos a donde queremos ". En resumen, él dice, "Una de las conclusiones es que las cosas todavía parecen estar bien encaminadas. Creemos que va a funcionar".