Fusión por confinamiento magnético

La fusión por confinamiento magnético ( MCF ) es un método para generar energía de fusión termonuclear que utiliza campos magnéticos para confinar el combustible de fusión en forma de plasma . El confinamiento magnético es una de las dos ramas principales de la investigación sobre fusión controlada, junto con la fusión por confinamiento inercial .

Las reacciones de fusión para reactores suelen combinar núcleos atómicos ligeros de deuterio y tritio para formar una partícula alfa (núcleo de helio-4) y un neutrón , donde la energía se libera en forma de energía cinética de los productos de reacción. Para superar la repulsión electrostática entre los núcleos, el combustible debe tener una temperatura de cientos de millones de grados, a la que el combustible está completamente ionizado y se convierte en un plasma . Además, el plasma debe tener una densidad suficiente y la energía debe permanecer en la región de reacción durante un tiempo suficiente, como se especifica en el criterio de Lawson (triple producto). La alta temperatura de un plasma de fusión impide el uso de recipientes materiales para la contención directa. La fusión por confinamiento magnético intenta utilizar la física del movimiento de partículas cargadas para contener las partículas de plasma mediante la aplicación de fuertes campos magnéticos.

Los tokamaks y los stellarators son los dos principales candidatos a dispositivos MCF en la actualidad. La investigación sobre el uso de varias configuraciones magnéticas para confinar el plasma de fusión comenzó en la década de 1950. Las primeras máquinas simples de espejo y toroidales mostraron resultados decepcionantes de bajo confinamiento. Después de la desclasificación de la investigación de fusión por parte de Estados Unidos , Reino Unido y la Unión Soviética en 1958, el Instituto Kurchatov informó de un avance en los dispositivos toroidales en 1968, donde su tokamak demostró una temperatura de 1 kiloelectronvoltio (alrededor de 11,6 millones de grados Kelvin) y algunos milisegundos de tiempo de confinamiento, y fue confirmado por un equipo visitante del Laboratorio Culham utilizando la técnica de dispersión de Thomson . ^{[1] [2]} Desde entonces, los tokamaks se convirtieron en la línea de investigación dominante a nivel mundial con grandes tokamaks como JET , TFTR y JT-60 que se construyeron y operaron. El experimento de tokamak ITER en construcción, cuyo objetivo es demostrar el punto de equilibrio científico , será el dispositivo MCF más grande del mundo. Si bien los primeros estellaradores de bajo confinamiento de la década de 1950 se vieron eclipsados ​​por el éxito inicial de los tokamaks, el interés en los estellaradores resurgió debido a su capacidad inherente para un funcionamiento estable y sin interrupciones, que los distingue de los tokamaks. El experimento de estellarador más grande del mundo, Wendelstein 7-X , comenzó a operar en 2015.

El récord actual de energía de fusión generada por dispositivos MCF lo ostenta el JET . En 1997, el JET estableció el récord de 16 megavatios de energía de fusión transitoria con un factor de ganancia de Q = 0,62 y 4 megavatios de energía de fusión en estado estacionario con Q = 0,18 durante 4 segundos. ^[3] En 2021, el JET mantuvo Q = 0,33 durante 5 segundos y produjo 59 megajulios de energía, superando el récord de 21,7 megajulios liberados en 1997 durante unos 4 segundos. ^[4]

Uno de los desafíos de la investigación de MCF es el desarrollo y la extrapolación de escenarios de plasma a las condiciones de las plantas de energía, donde se debe mantener un buen rendimiento de fusión y confinamiento de energía. Se están estudiando activamente soluciones potenciales a otros problemas como el escape de energía del divertor , la mitigación de transitorios (disrupciones, electrones desbocados , modos localizados en el borde ), el manejo del flujo de neutrones , la reproducción de tritio y la física de los plasmas en combustión . El desarrollo de nuevas tecnologías en diagnóstico de plasma , control en tiempo real , materiales de cara al plasma , fuentes de microondas de alta potencia , ingeniería de vacío , criogenia e imanes superconductores son esenciales en la investigación de MCF.

Un área importante de investigación en los primeros años de la investigación de la energía de fusión fue el espejo magnético . La mayoría de los primeros dispositivos de espejo intentaron confinar el plasma cerca del foco de un campo magnético no plano generado en un solenoide con la intensidad del campo aumentada en cada extremo del tubo. Para escapar del área de confinamiento, los núcleos tenían que entrar en una pequeña área anular cerca de cada imán. Se sabía que los núcleos escaparían a través de esta área, pero se pensó que esto se podría solucionar añadiendo y calentando combustible continuamente.

En 1954, Edward Teller dio una charla en la que expuso un problema teórico que sugería que el plasma también escaparía rápidamente de forma lateral a través de los campos de confinamiento. Esto ocurriría en cualquier máquina con campos magnéticos convexos, que existían en el centro del área del espejo. Las máquinas existentes tenían otros problemas y no era obvio si esto estaba ocurriendo. En 1961, un equipo soviético demostró de manera concluyente que esta inestabilidad de la flauta estaba ocurriendo de hecho, y cuando un equipo estadounidense afirmó que no estaban viendo este problema, los soviéticos examinaron su experimento y notaron que esto se debía a un simple error de instrumentación.

El equipo soviético también introdujo una posible solución, en forma de "barras de Ioffe". Éstas doblaban el plasma en una nueva forma que era cóncava en todos los puntos, evitando el problema que Teller había señalado. Esto demostró una clara mejora en el confinamiento. Un equipo del Reino Unido introdujo entonces una disposición más sencilla de estos imanes a la que llamaron "pelota de tenis", que en los EE.UU. se adoptó como "pelota de béisbol". Se probaron varias máquinas de la serie de béisbol y mostraron un rendimiento muy mejorado. Sin embargo, los cálculos teóricos mostraron que la cantidad máxima de energía que podrían producir sería aproximadamente la misma que la energía necesaria para hacer funcionar los imanes. Como máquina productora de energía, el espejo parecía un callejón sin salida.

En la década de 1970 se desarrolló una solución. Colocando una bobina de béisbol en cada extremo de un solenoide grande, todo el conjunto podía contener un volumen mucho mayor de plasma y, por lo tanto, producir más energía. Se empezaron a hacer planes para construir un gran dispositivo con este diseño de "espejo en tándem", que se convirtió en la Instalación de Prueba de Fusión de Espejos ( Mirror Fusion Test Facility , MFTF). Como nunca antes se había probado este diseño, se construyó una máquina más pequeña, el Experimento de Espejos en tándem (Tandem Mirror Experiment , TMX), para probarlo. El TMX demostró una nueva serie de problemas que sugerían que el MFTF no alcanzaría sus objetivos de rendimiento y, durante la construcción, el MFTF se modificó a MFTF-B. Sin embargo, debido a recortes presupuestarios, un día después de que se completara la construcción del MFTF, se suspendió. Los espejos han experimentado poco desarrollo desde entonces.

El primer intento real de construir un reactor de fusión controlado utilizó el efecto pinzamiento en un contenedor toroidal. Se utilizó un gran transformador que envolvía el contenedor para inducir una corriente en el plasma que se encontraba en su interior. Esta corriente crea un campo magnético que comprime el plasma hasta formar un anillo fino, "pinzándolo". La combinación del calentamiento Joule por la corriente y el calentamiento adiabático a medida que se pinza eleva la temperatura del plasma hasta el rango requerido en decenas de millones de grados Kelvin.

Las primeras máquinas, construidas en el Reino Unido en 1948 y seguidas por una serie de máquinas cada vez más grandes y potentes en el Reino Unido y los EE. UU., demostraron estar sujetas a fuertes inestabilidades en el plasma. Entre ellas, la más notable era la inestabilidad de torsión , que hacía que el anillo pellizcado se agitara y golpeara las paredes del contenedor mucho antes de alcanzar las temperaturas requeridas. Sin embargo, el concepto era tan simple que se realizó un esfuerzo hercúleo para abordar estos problemas.

Esto condujo al concepto de "estabilización de pinzamiento", que añadía imanes externos para "darle al plasma una columna vertebral" mientras se comprimía. La máquina más grande de este tipo fue el reactor ZETA del Reino Unido , completado en 1957, que parecía producir fusión con éxito. Sólo unos meses después de su anuncio público en enero de 1958, estas afirmaciones tuvieron que retractarse cuando se descubrió que los neutrones que se estaban viendo eran creados por nuevas inestabilidades en la masa del plasma. Estudios posteriores mostraron que cualquier diseño de este tipo estaría plagado de problemas similares, y la investigación que utilizaba el enfoque de pinzamiento z prácticamente cesó.

Un primer intento de construir un sistema de confinamiento magnético fue el stellarator , introducido por Lyman Spitzer en 1951. Básicamente, el stellarator consiste en un toro que se ha cortado por la mitad y luego se ha vuelto a unir con secciones "cruzadas" rectas para formar una figura de 8. Esto tiene el efecto de propagar los núcleos desde el interior hacia el exterior a medida que orbitan el dispositivo, cancelando así la deriva a través del eje, al menos si los núcleos orbitan lo suficientemente rápido.

Poco después de la construcción de las primeras máquinas en forma de 8, se observó que se podía lograr el mismo efecto en una disposición completamente circular añadiendo un segundo conjunto de imanes enrollados helicoidalmente a cada lado. Esta disposición generaba un campo que se extendía sólo parcialmente hacia el plasma, lo que demostró tener la importante ventaja de añadir "corte", que suprimía la turbulencia en el plasma. Sin embargo, a medida que se construían dispositivos más grandes sobre este modelo, se observó que el plasma escapaba del sistema mucho más rápido de lo esperado, mucho más rápido de lo que podía reemplazarse.

A mediados de los años 60, parecía que el método del stellarator era un callejón sin salida. Además de los problemas de pérdida de combustible, también se calculó que una máquina generadora de energía basada en este sistema sería enorme, de casi 300 metros de largo. Cuando se introdujo el tokamak en 1968, el interés en el stellarator desapareció y el último diseño de la Universidad de Princeton , el Modelo C, finalmente se convirtió en el Tokamak Simétrico.

Los Stellarators han despertado un renovado interés desde el cambio de milenio, ya que evitan varios de los problemas que se detectaron posteriormente en los tokamak. Se han construido modelos más nuevos, pero estos siguen estando unas dos generaciones por detrás de los últimos diseños de tokamak.

A finales de los años 50, los investigadores soviéticos observaron que la inestabilidad de la torsión se suprimiría considerablemente si las torsiones en la trayectoria fueran lo suficientemente fuertes como para que una partícula viajara alrededor de la circunferencia del interior de la cámara más rápidamente que alrededor de la longitud de la misma. Esto requeriría reducir la corriente de pinzamiento y hacer que los imanes estabilizadores externos fueran mucho más fuertes.

En 1968, se presentó por primera vez en público la investigación rusa sobre el tokamak toroidal , con resultados que superaban con creces los esfuerzos realizados hasta entonces con cualquier otro diseño de la competencia, magnético o no. Desde entonces, la mayor parte de los esfuerzos en materia de confinamiento magnético se han basado en el principio del tokamak. En el tokamak, una corriente se impulsa periódicamente a través del plasma, creando un campo "alrededor" del toro que se combina con el campo toroidal para producir un campo sinuoso de alguna manera similar al de un estelarizador moderno, al menos en el sentido de que los núcleos se mueven desde el interior hacia el exterior del dispositivo a medida que fluyen a su alrededor.

En 1991, se construyó START en Culham , Reino Unido , como el primer tokamak esférico construido específicamente . Se trataba esencialmente de un esferomak con una varilla central insertada. START produjo resultados impresionantes, con valores β de aproximadamente el 40%, tres veces más que los producidos por los tokamaks estándar en ese momento. El concepto se ha ampliado a corrientes de plasma más altas y tamaños más grandes, con los experimentos NSTX (EE. UU.), MAST (Reino Unido) y Globus-M (Rusia) en curso actualmente. Los tokamaks esféricos tienen propiedades de estabilidad mejoradas en comparación con los tokamaks convencionales y, como tal, el área está recibiendo una considerable atención experimental. Sin embargo, los tokamaks esféricos hasta la fecha han estado en un campo toroidal bajo y, como tal, son poco prácticos para los dispositivos de neutrones de fusión.

Los toroides compactos, como el spheromak y el Field-Reversed Configuration , intentan combinar el buen confinamiento de las configuraciones de superficies magnéticas cerradas con la simplicidad de las máquinas sin un núcleo central. Un experimento temprano de este tipo ^{[ dudoso – discutir ]} en la década de 1970 fue Trisops . (Trisops disparó dos anillos de pinza theta uno hacia el otro).

This section needs expansion. You can help by adding to it. (June 2008)

Algunas configuraciones más novedosas producidas en máquinas toroidales son el pinchazo de campo invertido y el experimento del dipolo levitado .

La Marina de los EE. UU. también ha reclamado un "dispositivo de fusión por compresión de plasma" capaz de alcanzar niveles de potencia de TW en una solicitud de patente estadounidense de 2018:

"Una característica de la presente invención es proporcionar un dispositivo de fusión por compresión de plasma que puede producir energía en el rango de gigavatios a teravatios (y superior), con una potencia de entrada en el rango de kilovatios a megavatios". ^[5]

Sin embargo, la patente ya ha sido abandonada.

Todos estos dispositivos han enfrentado considerables problemas en su ampliación y en su aproximación al criterio de Lawson . Un investigador ha descrito el problema del confinamiento magnético en términos simples, comparándolo con apretar un globo: el aire siempre intentará "salir" por algún otro lado. La turbulencia en el plasma ha demostrado ser un problema importante, haciendo que el plasma escape del área de confinamiento y potencialmente toque las paredes del contenedor. Si esto sucede, un proceso conocido como " pulverización catódica ", partículas de alta masa del contenedor (a menudo acero y otros metales) se mezclan con el combustible de fusión, bajando su temperatura.

En 1997, los científicos de las instalaciones Joint European Torus (JET) en el Reino Unido produjeron 16 megavatios de energía de fusión. Los científicos ahora pueden ejercer cierto control sobre la turbulencia del plasma y la fuga de energía resultante, considerada durante mucho tiempo una característica inevitable e intratable de los plasmas. Hay un creciente optimismo de que la presión del plasma por encima de la cual el plasma se desmonta ahora puede hacerse lo suficientemente grande como para mantener una tasa de reacción de fusión aceptable para una planta de energía. ^{[6] Se pueden inyectar ondas} electromagnéticas y dirigirlas para manipular las trayectorias de las partículas de plasma y luego producir las grandes corrientes eléctricas necesarias para producir los campos magnéticos para confinar el plasma. ^[7] Estas y otras capacidades de control provienen de avances en la comprensión básica de la ciencia del plasma en áreas como la turbulencia del plasma, la estabilidad macroscópica del plasma y la propagación de ondas de plasma. Gran parte de este progreso se ha logrado con un énfasis particular en el tokamak .

SPARC es un tokamak que utiliza combustible de deuterio-tritio (DT), que actualmente se está diseñando en el Centro de Ciencia y Fusión del Plasma del MIT en colaboración con Commonwealth Fusion Systems con el objetivo de producir un diseño de reactor práctico en un futuro cercano. A fines de 2020, se publicó un número especial del Journal of Plasma Physics que incluía siete estudios que hablaban de un alto nivel de confianza en la eficacia del diseño del reactor y se centraban en el uso de simulaciones para validar las predicciones sobre el funcionamiento y la capacidad del reactor. ^[8] Un estudio se centró en modelar las condiciones magnetohidrodinámicas (MHD) en el reactor. La estabilidad de esta condición definirá los límites de la presión del plasma que se puede lograr bajo presiones de campo magnético variables. ^[9]

Los avances logrados con SPARC se han basado en el trabajo mencionado anteriormente en el proyecto ITER y apuntan a utilizar nueva tecnología en superconductores de alta temperatura (HTS) como un material más práctico. Los HTS permitirán que los imanes del reactor produzcan un mayor campo magnético y aumenten proporcionalmente los procesos de transporte necesarios para generar energía. Una de las consideraciones más importantes en cuanto al material es asegurar que la pared interna pueda soportar las intensas cantidades de calor que se generarán (se espera que se acerquen a los 10 GW por metro cuadrado en flujo de calor del plasma). Este material no solo debe sobrevivir, sino que también debe soportar daños suficientes para evitar contaminar el plasma del núcleo. Desafíos como este se están considerando activamente y se tienen en cuenta en los modelos y cálculos predictivos utilizados en el proceso de diseño. ^[10]

Se han logrado avances en la solución del desafío de la integración núcleo-borde en los futuros reactores de fusión en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D . Para un plasma de fusión en combustión, es crucial mantener un núcleo de plasma más caliente que la superficie del Sol sin dañar las paredes del reactor. La inyección de impurezas más pesadas que las partículas de plasma en la región de escape de plasma y energía (el Divertor ) es crucial para enfriar el límite del plasma sin afectar el rendimiento de la fusión. Los experimentos convencionales utilizaron impurezas gaseosas, pero también se ha probado la inyección de boro, nitruro de boro y litio en forma de polvo. ^{[11] [12]} Los experimentos mostraron un enfriamiento efectivo del límite del plasma con un impacto mínimo en el rendimiento de los plasmas en modo de alto confinamiento . Este enfoque podría aplicarse a dispositivos de fusión más grandes como ITER y contribuir a la integración núcleo-borde en futuras plantas de energía de fusión. ^{[13] [14]} Los experimentos recientes también han avanzado en la predicción de disrupciones, el control ELM y la migración de materiales. El programa está instalando herramientas adicionales para optimizar la operación del tokamak y explorar las interacciones del plasma de borde y los materiales. Se están considerando importantes actualizaciones para mejorar el rendimiento y la flexibilidad de los futuros reactores de fusión. ^{[15] [16] [17]}

El estelarizador Wendelstein 7-X del Instituto Max Planck de Física del Plasma en Alemania ha finalizado sus primeras campañas de plasma y ha sido sometido a mejoras, incluida la instalación de más de 8.000 placas de grafito y diez módulos desviadores para proteger las paredes del recipiente y permitir descargas de plasma más prolongadas. ^{[18] [19] [20]} Los experimentos probarán el concepto optimizado de Wendelstein 7-X como un dispositivo de fusión estelarizador para su posible uso en una planta de energía. El desviador de isla desempeña un papel crucial en la regulación de la pureza y la densidad del plasma. Wendelstein 7-X permite la investigación de la turbulencia del plasma y la eficacia del confinamiento magnético y el aislamiento térmico. El sistema de calentamiento por microondas del dispositivo también se ha mejorado para lograr un mayor rendimiento energético y una mayor densidad del plasma. Estos avances tienen como objetivo demostrar la idoneidad de los estelarizadores para la generación continua de energía de fusión. ^{[21] [22] [23] [24]}

TAE Technologies alcanzó en 2022 un hito de investigación importante al realizar los primeros experimentos de fusión de hidrógeno y boro en un plasma de fusión confinado magnéticamente. Los experimentos se llevaron a cabo en colaboración con el Instituto Nacional de Ciencias de la Fusión de Japón utilizando un sistema de inyección de polvo de boro desarrollado por científicos e ingenieros del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton . ^{[25] [26]} La búsqueda de TAE de la fusión de hidrógeno y boro tiene como objetivo desarrollar un ciclo de combustible limpio, competitivo en costos y sostenible para la energía de fusión. Los resultados sugieren que una mezcla de combustible de hidrógeno y boro tiene el potencial de usarse en la energía de fusión a escala de servicios públicos. TAE Technologies se centra en el desarrollo de una planta de energía de fusión para mediados de la década de 2030 que producirá electricidad limpia. ^[27]

La empresa privada estadounidense de fusión nuclear Helion Energy ha firmado un acuerdo con Microsoft para suministrar electricidad en unos cinco años, lo que supone el primer acuerdo de este tipo para la energía de fusión. La planta de Helion, que se espera que esté en funcionamiento en 2028, tiene como objetivo generar 50 megavatios o más de energía. La empresa planea utilizar helio-3 , un gas raro, como fuente de combustible. ^[28]

Kronos Fusion Energy ha anunciado el desarrollo de un generador de energía de fusión aneutrónica para energía limpia e ilimitada en la defensa nacional. ^[29]

En mayo de 2023, el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) anunció una subvención de 46 millones de dólares para ocho empresas de siete estados para impulsar el diseño y la investigación de plantas de energía de fusión, con el objetivo de establecer a Estados Unidos como líder en energía de fusión limpia. La financiación del Programa de Desarrollo de la Fusión Basado en Hitos apoya el objetivo de demostrar la fusión a escala piloto en un plazo de diez años y lograr una economía de cero emisiones netas para 2050. Los beneficiarios de la subvención abordarán obstáculos científicos y tecnológicos para crear diseños viables de plantas piloto de fusión en los próximos 5 a 10 años. Entre los premiados se encuentran Commonwealth Fusion Systems , Focused Energy Inc., Princeton Stellarators Inc., Realta Fusion Inc., Tokamak Energy Inc., Type One Energy Group, Xcimer Energy Inc. y Zap Energy Inc. ^[30]

Los principales laboratorios de fusión por confinamiento magnético del mundo son:

• ASIPP ( China ). Su principal instalación es el tokamak EAST , que funciona desde 2006. Es el primer tokamak que emplea imanes toroidales y poloidales superconductores y ha establecido varios récords en la operación de plasma de tokamak de alto parámetro y pulso largo.
• CEA Cadarache ( Francia ). Opera el tokamak WEST .
• Centro Culham para la Energía de Fusión ( Reino Unido ). Es la sede del Joint European Torus (JET) y del Mega Ampere Spherical Tokamak-Upgrade (MAST-U).
• Centro suizo de plasma de la EPFL ( Suiza ). Opera el tokamak de configuración variable (TCV) especializado en la investigación del modelado de plasma.
• General Atomics ( Estados Unidos ). Actualmente está utilizando el tokamak DIII-D .
• Instituto Max Planck de Física del Plasma ( Alemania ). Sus principales instalaciones experimentales son el tokamak ASDEX Upgrade y el estelarizador Wendelstein 7-X .
• Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT ( Estados Unidos ). Anteriormente operó el tokamak Alcator C-Mod entre 1991 y 2016, y actualmente está construyendo el tokamak SPARC con Commonwealth Fusion Systems .
• Laboratorio de Física del Plasma de Princeton ( Estados Unidos ). Su principal experimento de fusión es el National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U).

• Toro de gas
• Fusión inercial de línea magnetizada

• Sitio web de EFDA-JET
  • Galería de imágenes JET ^{[ enlace muerto permanente ]}
• Centro Culham para la Energía de Fusión, CCFE Archivado el 28 de octubre de 2020 en Wayback Machine
• Información del OIEA sobre el JET
• Física de plasmas confinados magnéticamente
• General Atomics Archivado el 4 de octubre de 2009 en Wayback Machine
• Wiki de Fusion (información especializada)