Factor de ganancia de energía de fusión

Un factor de ganancia de energía de fusión , expresado habitualmente con el símbolo Q , es la relación entre la potencia de fusión producida en un reactor de fusión nuclear y la potencia necesaria para mantener el plasma en estado estacionario . La condición de Q  = 1, cuando la potencia liberada por las reacciones de fusión es igual a la potencia de calentamiento necesaria, se denomina punto de equilibrio o, en algunas fuentes, punto de equilibrio científico .

La energía emitida por las reacciones de fusión puede ser capturada dentro del combustible, lo que lleva al autocalentamiento . La mayoría de las reacciones de fusión liberan al menos parte de su energía en una forma que no puede ser capturada dentro del plasma, por lo que un sistema en Q  = 1 se enfriará sin calentamiento externo. Con combustibles típicos, no se espera que el autocalentamiento en los reactores de fusión coincida con las fuentes externas hasta que Q  ≈ 5. Si Q aumenta más allá de este punto, el aumento del autocalentamiento eventualmente elimina la necesidad de calentamiento externo. En este punto, la reacción se vuelve autosostenida, una condición llamada ignición , y generalmente se considera muy deseable para los diseños prácticos de reactores. La ignición corresponde a Q infinita . ^[1]

Con el tiempo, varios términos relacionados han entrado en el léxico de la fusión. La energía que no se captura dentro del combustible se puede capturar externamente para producir electricidad. Esa electricidad se puede utilizar para calentar el plasma a temperaturas operativas. Un sistema que se autoalimenta de esta manera se conoce como que funciona en el punto de equilibrio de ingeniería . Al operar por encima del punto de equilibrio de ingeniería, una máquina produciría más electricidad de la que utiliza y podría vender ese exceso. Aquel que vende suficiente electricidad para cubrir sus costos operativos a veces se conoce como punto de equilibrio económico . Además, los combustibles de fusión, especialmente el tritio , son muy caros, por lo que muchos experimentos se realizan con varios gases de prueba como el hidrógeno o el deuterio . Un reactor que funciona con estos combustibles que alcanza las condiciones del punto de equilibrio si se introdujera tritio se dice que está en el punto de equilibrio extrapolado .

El récord actual de Q más alto en un tokamak (según lo registrado durante la fusión DT real) fue establecido por JET en Q = 0,67 en 1997. El récord de Q _ext (el valor Q teórico de la fusión DT extrapolado a partir de los resultados de DD) en un tokamak lo tiene JT-60 , con Q _{ext = 1,25, superando ligeramente} el Q _ext anterior de JET = 1,14. En diciembre de 2022, la Instalación Nacional de Ignición , una instalación de confinamiento inercial , alcanzó Q = 1,54 con una salida de 3,15 MJ a partir de un calentamiento láser de 2,05 MJ, que sigue siendo el récord para cualquier esquema de fusión a partir de 2023. ^[actualizar][ ^2]

Q ^[a] es simplemente la comparación de la potencia liberada por las reacciones de fusión en un reactor, P _fus , con la potencia de calentamiento constante suministrada, P _heat , en condiciones normales de funcionamiento. Para aquellos diseños que no funcionan en estado estable, sino que funcionan con pulsos, se puede realizar el mismo cálculo sumando toda la energía de fusión producida en P _fus y toda la energía gastada para producir el pulso en P _heat . ^[b] Sin embargo, existen varias definiciones de punto de equilibrio que consideran pérdidas de potencia adicionales.

En 1955, John Lawson fue el primero en explorar los mecanismos de balance energético en detalle, inicialmente en trabajos clasificados pero publicados abiertamente en un artículo de 1957, ahora famoso. En este artículo, consideró y refinó el trabajo de investigadores anteriores, en particular Hans Thirring , Peter Thonemann y un artículo de revisión de Richard Post . Ampliando todo esto, el artículo de Lawson hizo predicciones detalladas sobre la cantidad de energía que se perdería a través de varios mecanismos y la comparó con la energía necesaria para sostener la reacción. ^[3] Este equilibrio se conoce hoy como el criterio de Lawson .

En un diseño exitoso de reactor de fusión, las reacciones de fusión generan una cantidad de energía denominada P _fus . ^[c] Una parte de esta energía, P _pérdida , se pierde a través de una variedad de mecanismos, principalmente la convección del combustible hacia las paredes de la cámara del reactor y varias formas de radiación que no se pueden capturar para generar energía. Para mantener la reacción en marcha, el sistema tiene que proporcionar calor para compensar estas pérdidas, donde P _pérdida = P _calor para mantener el equilibrio térmico. ^[4]

La definición más básica del punto de equilibrio es cuando Q = 1, ^[d] es decir, P _fus = P _calor .

Con el tiempo, se propusieron nuevos tipos de dispositivos de fusión con diferentes sistemas operativos. Cabe destacar especialmente el concepto de fusión por confinamiento inercial o ICF. Los métodos magnéticos, MCF para abreviar, generalmente están diseñados para operar en el estado (cuasi) estable. Es decir, el plasma se mantiene en condiciones de fusión durante escalas de tiempo mucho más largas que las reacciones de fusión, del orden de segundos o minutos. El objetivo es permitir que la mayor parte del combustible experimente una reacción de fusión. Por el contrario, las reacciones ICF duran solo un tiempo del orden de docenas de reacciones de fusión y, en cambio, intentan garantizar que las condiciones sean tales que la mayor parte del combustible experimente la fusión incluso en este lapso de tiempo muy corto. Para hacerlo, los dispositivos ICF comprimen el combustible a condiciones extremas, donde las reacciones de autocalentamiento ocurren muy rápidamente. ^[5]

En un dispositivo MCF, el plasma inicial se establece y se mantiene mediante imanes grandes, que en los dispositivos superconductores modernos requieren muy poca energía para funcionar. Una vez establecido, el estado estable se mantiene inyectando calor en el plasma con una variedad de dispositivos. Estos dispositivos representan la gran mayoría de la energía necesaria para mantener el sistema en funcionamiento. También son relativamente eficientes, ya que quizás hasta la mitad de la electricidad que se les suministra termina como energía en el plasma. Por esta razón, _{el calor} P en el estado estable es algo bastante cercano a toda la energía que se alimenta al reactor, y la eficiencia de los sistemas de calentamiento generalmente se ignora. Cuando se considera la eficiencia total, generalmente no forma parte del cálculo de Q , sino que se incluye en el cálculo del punto de equilibrio de ingeniería, Q _eng (ver a continuación).

En cambio, en los dispositivos ICF la energía necesaria para crear las condiciones requeridas es enorme, y los dispositivos que lo hacen, típicamente los láseres , son extremadamente ineficientes, alrededor del 1%. ^[6] Si uno usara una definición similar de P _calor , es decir, toda la energía que se alimenta al sistema, entonces los dispositivos ICF son irremediablemente ineficientes. Por ejemplo, el NIF usa más de 400 MJ de energía eléctrica para producir una salida de 3,15 MJ. A diferencia del MCF, esta energía tiene que ser suministrada para iniciar cada reacción, no solo para poner el sistema en funcionamiento. ^{[7] [8]}

Los defensores del ICF señalan que se podrían utilizar "impulsores" alternativos que mejorarían esta relación al menos diez veces. Si uno intenta comprender las mejoras en el rendimiento de un sistema ICF, entonces no es el rendimiento de los impulsores lo que es interesante, sino el rendimiento del proceso de fusión en sí. Por lo tanto, es típico definir _{el calor} P para los dispositivos ICF como la cantidad de energía del impulsor que realmente llega al combustible, aproximadamente 2 MJ en el caso de NIF. Usando esta definición de _calor P , se llega a un Q de 1,5. Esta es, en última instancia, la misma definición que la utilizada en MCF, pero las pérdidas aguas arriba son menores en esos sistemas y no es necesario hacer distinciones.

Para aclarar esta distinción, los trabajos modernos a menudo se refieren a esta definición como punto de equilibrio científico , Q _sci o, a veces, Q _plasma , para contrastarla con términos similares. ^{[9] [10]}

Desde la década de 1950, la mayoría de los diseños de reactores de fusión comerciales se han basado en una mezcla de deuterio y tritio como combustible principal; otros combustibles tienen características atractivas pero son mucho más difíciles de encender. Como el tritio es radiactivo, altamente bioactivo y muy móvil, representa un importante problema de seguridad y aumenta el costo de diseño y operación de un reactor de este tipo. ^[11]

Para reducir los costos, muchas máquinas experimentales están diseñadas para funcionar con combustibles de prueba de hidrógeno o deuterio únicamente, dejando de lado el tritio. En este caso, el término punto de equilibrio extrapolado , Q _ext , se utiliza para definir el rendimiento esperado de la máquina que funciona con combustible DT en función del rendimiento cuando funciona solo con hidrógeno o deuterio. ^[12]

Los récords de equilibrio extrapolado son ligeramente superiores a los de equilibrio científico. Tanto el JET como el JT-60 han alcanzado valores de alrededor de 1,25 (ver más abajo para más detalles) mientras funcionaban con combustible DD. Cuando funcionaban con DT, que solo es posible en el JET, el rendimiento máximo es aproximadamente la mitad del valor extrapolado. ^[13]

Otro término relacionado, el punto de equilibrio de ingeniería , denominado Q _E , Q _eng o Q _total según la fuente, considera la necesidad de extraer la energía del reactor, convertirla en energía eléctrica y devolver parte de ella al sistema de calefacción. ^[12] Este circuito cerrado que envía electricidad desde la fusión de vuelta al sistema de calefacción se conoce como recirculación . En este caso, la definición básica cambia añadiendo términos adicionales al lado P _fus para considerar las eficiencias de estos procesos. ^[14]

Las reacciones DT liberan la mayor parte de su energía en forma de neutrones y una cantidad menor en forma de partículas cargadas, como las partículas alfa . Los neutrones son eléctricamente neutros y saldrán de cualquier plasma antes de poder depositar energía nuevamente en él. Esto significa que solo las partículas cargadas de las reacciones pueden ser capturadas dentro de la masa de combustible y dar lugar al autocalentamiento. Si la fracción de la energía que se libera en las partículas cargadas es f _ch , entonces la potencia en estas partículas es P _ch = f _ch P _fus . Si este proceso de autocalentamiento es perfecto, es decir, todo el P _ch se captura en el combustible, eso significa que la potencia disponible para generar electricidad es la potencia que no se libera en esa forma, o (1 −  f _ch ) P _fus . ^[15]

En el caso de los neutrones que transportan la mayor parte de la energía práctica, como es el caso del combustible DT, esta energía neutrónica normalmente se captura en una " manta " de litio que produce más tritio que se utiliza para alimentar el reactor. Debido a varias reacciones exotérmicas y endotérmicas , la manta puede tener un factor de ganancia de potencia M _R . M _R es típicamente del orden de 1,1 a 1,3, lo que significa que también produce una pequeña cantidad de energía. El resultado neto, la cantidad total de energía liberada al medio ambiente y, por lo tanto, disponible para la producción de energía, se conoce como P _R , la potencia neta de salida del reactor. ^[15]

A continuación, la manta se enfría y el fluido refrigerante se utiliza en un intercambiador de calor que impulsa turbinas y generadores de vapor convencionales. A continuación, esa electricidad se devuelve al sistema de calefacción. ^[15] Cada uno de estos pasos de la cadena de generación tiene una eficiencia que hay que tener en cuenta. En el caso de los sistemas de calentamiento por plasma, es del orden del 60 al 70%, mientras que los sistemas de generación modernos basados ​​en el ciclo Rankine tienen alrededor del 35 al 40%. Combinando estos, obtenemos una eficiencia neta del bucle de conversión de energía en su conjunto, , de alrededor de 0,20 a 0,25. Es decir, se puede recircular alrededor del 20 al 25%. ^[15]${\displaystyle \eta _{calor}}$${\displaystyle \eta__{elec}}$${\displaystyle \eta_{NPC}}$$Estilo de visualización P_{R}$

Por lo tanto, el factor de ganancia de energía de fusión necesario para alcanzar el punto de equilibrio de ingeniería se define como: ^[16]$${\displaystyle Q_{E}\equiv {\frac {P_{\text{fus}}}{P_{\text{calor}}}}={\frac {1}{\eta _{\text{calor}}\cdot f_{\text{recirc}}\cdot \eta _{\text{elec}}\cdot (1-f_{\text{ch}})}}}$$

Para entender cómo se utiliza, considere un reactor que opera a 20 MW y Q = 2. Q = 2 a 20 MW implica que _{el calor} P es 10 MW. De esos 20 MW originales, aproximadamente el 20% son alfas, por lo que asumiendo una captura completa, 4 MW de _calor P se autoabastecen. Necesitamos un total de 10 MW de calefacción y obtenemos 4 de eso a través de alfas, por lo que necesitamos otros 6 MW de energía. De los 20 MW originales de salida, 4 MW quedan en el combustible, por lo que tenemos 16 MW de salida neta. Usando M _R de 1.15 para la manta, obtenemos P _R aproximadamente 18.4 MW. Suponiendo un bien de 0.25, eso requiere 24 MW P _R , por lo que un reactor en Q = 2 no puede alcanzar el punto de equilibrio de ingeniería. Con Q = 4 se necesitan 5 MW de calefacción, de los cuales 4 proceden de la fusión, lo que deja 1 MW de potencia externa necesaria, que se puede generar fácilmente con la salida neta de 18,4 MW. Por lo tanto, para este diseño teórico, Q _E está entre 2 y 4.$Estilo de visualización QE$${\displaystyle \eta_{NPC}}$

Teniendo en cuenta las pérdidas y eficiencias del mundo real, los valores Q entre 5 y 8 se enumeran típicamente para que los dispositivos de confinamiento magnético alcancen , ^[15] mientras que los dispositivos inerciales tienen valores drásticamente más bajos para y, por lo tanto, requieren valores Q mucho más altos, del orden de 50 a 100. ^[17]${\displaystyle Q_{E}=1}$${\displaystyle \eta _{\text{calor}}}$

A medida que aumenta la temperatura del plasma, la tasa de reacciones de fusión crece rápidamente y, con ella, la tasa de autocalentamiento. En cambio, las pérdidas de energía no capturables, como los rayos X, no crecen al mismo ritmo. Por lo tanto, en términos generales, el proceso de autocalentamiento se vuelve más eficiente a medida que aumenta la temperatura y se necesita menos energía de fuentes externas para mantenerlo caliente. ^[18]

Finalmente, _{el calor} P llega a cero, es decir, toda la energía necesaria para mantener el plasma a la temperatura de funcionamiento se suministra mediante autocalentamiento y la cantidad de energía externa que se necesita añadir cae a cero. Este punto se conoce como ignición . En el caso del combustible DT, donde solo el 20% de la energía se libera como alfas que dan lugar al autocalentamiento, esto no puede ocurrir hasta que el plasma esté liberando al menos cinco veces la energía necesaria para mantenerlo a su temperatura de trabajo. ^[18]

El encendido, por definición, corresponde a un Q infinito , pero no significa que f _recirc caiga a cero ya que la otra energía que se vierte en el sistema, como los imanes y los sistemas de refrigeración, aún necesita ser alimentada. Sin embargo, en general, estos son mucho más pequeños que la energía en los calentadores y requieren un f _recirc mucho menor . Más importante aún, es más probable que este número sea casi constante, lo que significa que las mejoras adicionales en el rendimiento del plasma darán como resultado más energía que se puede utilizar directamente para la generación comercial, en lugar de la recirculación. ^[19]

La definición final del punto de equilibrio es el punto de equilibrio comercial , que se produce cuando el valor económico de cualquier electricidad neta que quede después de la recirculación es suficiente para pagar el reactor. ^{[12] Este valor depende tanto del} costo de capital del reactor y de los costos de financiamiento relacionados con él, como de sus costos operativos , incluidos el combustible y el mantenimiento, y del precio spot de la energía eléctrica. ^{[12] [20]}

El punto de equilibrio comercial depende de factores ajenos a la tecnología del propio reactor, y es posible que incluso un reactor con un plasma totalmente encendido que funcione mucho más allá del punto de equilibrio de ingeniería no genere suficiente electricidad con la rapidez necesaria para amortizarse. En este campo se debate si alguno de los conceptos principales, como el ITER, puede alcanzar este objetivo. ^[21]

La mayoría de los diseños de reactores de fusión que se están estudiando a partir de 2017 ^[actualizar]se basan en la reacción DT, ya que es, con diferencia, la más fácil de encender y tiene una gran densidad energética. ^[22] Esta reacción emite la mayor parte de su energía en forma de un único neutrón altamente energético, y solo el 20% de la energía en forma de un alfa. Por tanto, para la reacción DT, f _ch = 0,2. Esto significa que el autocalentamiento no se vuelve igual al calentamiento externo hasta que Q = 5, como mínimo. ^[18]

Los valores de eficiencia dependen de los detalles de diseño, pero pueden estar en el rango de η _heat = 0,7 (70 %) y η _elec = 0,4 (40 %). El propósito de un reactor de fusión es producir energía, no recircularla, por lo que un reactor práctico debe tener f _recirc = 0,2 aproximadamente. Un valor más bajo sería mejor, pero será difícil de lograr. Usando estos valores, encontramos que para un reactor práctico Q = 22. ^[23]

Utilizando estos valores y considerando el ITER, el reactor produce 500 MW de energía de fusión para 50 MW de suministro. Si el 20% de la producción es autocalentable, eso significa 400 MW de escape. Suponiendo que η _heat = 0,7 y η _elec = 0,4, el ITER (en teoría) podría producir hasta 112 MW de calor. Esto significa que el ITER funcionaría en el punto de equilibrio de ingeniería. Sin embargo, el ITER no está equipado con sistemas de extracción de energía, por lo que esto sigue siendo teórico hasta que aparezcan máquinas posteriores como DEMO .

Muchos de los primeros dispositivos de fusión funcionaban durante microsegundos, utilizando algún tipo de fuente de energía pulsada para alimentar su sistema de confinamiento magnético mientras utilizaban la compresión del confinamiento como fuente de calor. Lawson definió el punto de equilibrio en este contexto como la energía total liberada por todo el ciclo de reacción en comparación con la energía total suministrada a la máquina durante el mismo ciclo. ^{[13] [23]}

Con el tiempo, a medida que el rendimiento aumentaba en órdenes de magnitud, los tiempos de reacción se han extendido de microsegundos a segundos, y el ITER está diseñado para tener disparos que duran varios minutos. En este caso, la definición de "todo el ciclo de reacción" se vuelve borrosa. En el caso de un plasma encendido, por ejemplo, _{el calor} P puede ser bastante alto mientras se configura el sistema y luego caer a cero cuando está completamente desarrollado, por lo que uno puede verse tentado a elegir un instante en el tiempo cuando está funcionando en su mejor momento para determinar un Q alto o infinito . Una mejor solución en estos casos es utilizar la definición original de Lawson promediada sobre la reacción para producir un valor similar a la definición original. ^[13]

Existe una complicación adicional. Durante la fase de calentamiento, cuando el sistema se pone en condiciones operativas, parte de la energía liberada por las reacciones de fusión se utilizará para calentar el combustible circundante y, por lo tanto, no se liberará al medio ambiente. Esto ya no es así cuando el plasma alcanza su temperatura operativa y entra en equilibrio térmico. Por lo tanto, si se hace un promedio durante todo el ciclo, esta energía se incluirá como parte del término de calentamiento, es decir, parte de la energía que se capturó para el calentamiento de otro modo se habría liberado en P _{fus y, por lo tanto, no es indicativa de un} Q operativo . ^[13]

Los operadores del reactor JET argumentaron que este insumo debería eliminarse del total: donde:$${\displaystyle Q^{*}\equiv {\frac {P_{\text{fus}}}{P_{\text{calor}}-P_{\text{temperatura}}}}}$$$${\displaystyle P_{\text{temperatura}}={\frac {dWp}{dt}}}$$

Es decir, P _temp es la potencia aplicada para aumentar la energía interna del plasma. Esta definición es la que se utilizó al informar el valor récord de 0,67 del JET. ^[13]

Esta definición continúa siendo motivo de debate. En 1998, los operadores del JT-60 afirmaron haber alcanzado Q = 1,25 funcionando con combustible DD, alcanzando así el punto de equilibrio extrapolado. Esta medición se basó en la definición de Q* del JET. Con esta definición, el JET también había alcanzado el punto de equilibrio extrapolado algún tiempo antes. ^[24] Si se considera el balance energético en estas condiciones y el análisis de las máquinas anteriores, se sostiene que debería utilizarse la definición original y, por lo tanto, ambas máquinas permanecen muy por debajo del punto de equilibrio de cualquier tipo. ^[13]

El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), líder en investigación sobre ICF, utiliza la Q modificada que define el _calor P como la energía entregada por el controlador a la cápsula, en oposición a la energía que se le inyecta al controlador mediante una fuente de energía externa. Esta definición produce valores Q mucho más altos y cambia la definición de punto de equilibrio a P _fus / P _láser = 1. En ocasiones, se refirieron a esta definición como "punto de equilibrio científico". ^{[25] [26]} Este término no se utilizó universalmente; otros grupos adoptaron la redefinición de Q pero continuaron refiriéndose a P _fus = P _láser simplemente como punto de equilibrio. ^[27]

El 7 de octubre de 2013, el LLNL anunció que aproximadamente una semana antes, el 29 de septiembre, había alcanzado el punto de equilibrio científico en la Instalación Nacional de Ignición (NIF). ^{[28] [29] [30]} En este experimento, P _fus fue de aproximadamente 14 kJ, mientras que la salida del láser fue de 1,8 MJ. Según su definición anterior, esto sería un Q de 0,0077. Para este comunicado de prensa, redefinieron Q una vez más, esta vez equiparando P _calor a solo la cantidad de energía entregada a "la parte más caliente del combustible", calculando que solo 10 kJ de la energía del láser original alcanzaron la parte del combustible que estaba experimentando reacciones de fusión. Este comunicado ha sido muy criticado en el campo. ^{[31] [32]}

El 17 de agosto de 2021, el NIF anunció que, a principios de agosto de 2021, un experimento había logrado un valor Q de 0,7, lo que produjo 1,35 MJ de energía a partir de una cápsula de combustible al enfocar 1,9 MJ de energía láser en la cápsula. El resultado fue un aumento de ocho veces con respecto a cualquier producción de energía anterior. ^[33]

El 13 de diciembre de 2022, el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunció que el NIF había superado el hito previamente esquivo de Q ≥ 1 el 5 de diciembre de 2022. Esto se logró al producir 3,15 MJ después de entregar 2,05 MJ al objetivo, para un Q equivalente  de 1,54. ^{[34] [35]}

• Entler, Slavomir (junio de 2015). "Ingeniería de equilibrio". Journal of Fusion Energy . 34 (3): 513–518}. Bibcode :2015JFuE...34..513E. doi :10.1007/s10894-014-9830-2. S2CID  189913715.
• Lawson, John (1957). "Algunos criterios para un reactor termonuclear productor de energía". Actas de la Physical Society, Sección B . 70 (6): 6–10. Bibcode :1957PPSB...70....6L. doi :10.1088/0370-1301/70/1/303.
• Meade, Dale (octubre de 1997). Q, punto de equilibrio y diagrama nτE para plasmas de fusión transitorios. 17.º Simposio IEEE/NPSS sobre ingeniería de fusión.
• McCracken, Garry; Stott, Peter (2005). Fusión. Prensa académica. ISBN 9780123846563.