Tecnico mirando una maquina

Representación de SPARC, un tokamak compacto de alto campo que quema DT, actualmente en proceso de diseño por un equipo del Instituto de Tecnología de Massachusetts y Commonwealth Fusion Systems. Su misión es crear y confinar un plasma que produzca energía de fusión líquida. Crédito: CFS / MIT-PSFC – Representación CAD de T. Henderson

Siete estudios describen el progreso hasta la fecha y los desafíos futuros de una fuente de energía revolucionaria de cero emisiones.

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

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

En general, dice Martin Greenwald, subdirector del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT y uno de los principales científicos del proyecto, el trabajo avanza sin problemas y por buen camino. Esta serie de artículos proporciona un alto nivel de confianza en la plasma previsiones de física y rendimiento para SPARC, dice. No aparecieron impedimentos ni sorpresas inesperados, y los desafíos restantes parecen 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 (29 de septiembre de 2020) en una edición especial de Revista de física del plasma. Juntos, los artículos describen la base teórica y empírica de la física para el 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 llameante», es decir, una reacción de fusión autosostenida en la que diferentes isótopos del elemento hidrógeno se fusionan para formar helio, sin la necesidad de ningún aporte de energía adicional. Estudiar el comportamiento de este plasma en llamas, algo nunca antes visto en la Tierra de forma controlada, se considera una información crucial para el desarrollo de la siguiente etapa, un prototipo funcional de una central eléctrica práctica.

Estas plantas de fusión pueden reducir significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero del sector de generación de energía, una de las principales fuentes de estas emisiones en todo el mundo. 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.

Experimento Tokamak SPARC

Visualización del experimento tokamak SPARC. Usando imanes de alto campo construidos con superconductores de alta temperatura recientemente disponibles, este experimento sería el primer plasma de fusión controlado en producir energía líquida. Crédito: Vista previa de Ken Filar, afiliado de investigación de PSFC

El proyecto 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, logrando un rendimiento de fusión comparable al esperado en el Un consorcio internacional está construyendo un reactor mucho más grande ITER 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 trabaja en su primera fase, el desarrollo de imanes superconductores que permitirían la construcción de sistemas de fusión más pequeños, avanza rápidamente. El nuevo conjunto de documentos 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 han tenido que refinarse aún más y que aún requieren una investigación en curso para definir los elementos finales del diseño de la máquina y los procedimientos operativos y pruebas que estarán involucrados a medida que avanza el trabajo hacia la planta.

Los documentos también describen el uso de herramientas de cálculo y simulación para el proyecto SPARC, que se han probado en muchos experimentos en todo el mundo. Los autores utilizaron simulaciones de vanguardia, ejecutadas en potentes supercomputadoras, que se desarrollaron para ayudar en el proyecto ITER. El gran equipo multiinstitucional de investigadores representado en el nuevo conjunto de artículos tuvo como objetivo traer las mejores herramientas de consenso al proyecto de la máquina SPARC para aumentar la confianza de que cumplirá su misión.

El análisis realizado hasta ahora muestra que la producción de energía de fusión planificada del reactor SPARC debe poder cumplir 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, lo que esencialmente significa que se produce el doble de energía de fusión que la cantidad de energía bombeada para generar la reacción. . Esta 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 en realidad podría lograr una relación Q de 10 o más, según los nuevos artículos. Aunque Greenwald advierte que el equipo quiere tener cuidado de no sobreprometer, y aún queda mucho trabajo por hacer, los resultados hasta el momento indican que el proyecto al menos logrará sus objetivos y, en concreto, logrará su principal objetivo de producir un plasma en llamas. , en el que el autocalentamiento domina el balance energético.

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

En general, «seguimos apuntando a que la construcción comience alrededor del 21 de junio», dice Greenwald. “El esfuerzo de la física está bien integrado con el proyecto de ingeniería. Lo que estamos tratando de hacer es colocar el proyecto en la base física más sólida posible, de modo que estemos seguros de cómo funcionará y luego brindar orientación y responder preguntas para el proyecto de ingeniería a medida que avanza. »

Muchos de los pequeños detalles todavía se están trabajando en el diseño de la máquina, cubriendo las mejores formas de obtener energía y combustible para el dispositivo, obtener la energía, lidiar con cualquier transitorio térmico o de potencia repentino y cómo y dónde medir los parámetros clave para monitorear. el funcionamiento de la máquina.

Hasta ahora, 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 hay una cuestión de un poco más de esto, un poco menos de eso, y hay muchas cosas que influyen en ello, problemas de ingeniería, tensiones mecánicas, tensiones térmicas y también está la física: ¿cómo se afecta el rendimiento de la máquina?

La publicación de esta edición especial de la revista, dice, «representa un resumen, una instantánea de las bases de la física tal como está hoy». Aunque los miembros del equipo han discutido muchos aspectos de esto en las reuniones de física, «esta es nuestra primera oportunidad de contar nuestra historia, hacer una revisión, obtener el sello de aprobación y ponerlo en la comunidad».

Greenwald dice que todavía hay mucho que aprender sobre la física de la quema de plasma y, una vez que esta máquina esté en funcionamiento, se puede obtener información importante que ayudará a allanar el camino para los dispositivos de fusión comerciales que producen energía, cuyo combustible: isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio, pueden estar disponibles en suministros prácticamente ilimitados.

Los detalles del plasma en llamas «son realmente nuevos e importantes», dice. «La gran montaña que tenemos que cruzar es comprender este estado de autocalentamiento de un plasma».

En general, dice Greenwald, el trabajo que se ha realizado en el análisis presentado en este paquete de documentos “ayuda a validar nuestra confianza en que cumpliremos la misión. No encontramos nada cuando decimos: ‘Oh, esta es una predicción de que no llegaremos a donde queremos’. En resumen, dice, “una de las conclusiones es que las cosas todavía parecen ir por buen camino. Creemos que funcionará. »

Referencia: «Estado de la base física SPARC» por Martin Greenwald, 29 de septiembre de 2020, 29 de septiembre de 2020, Revista de física del plasma.
DOI: 10.1017 / S0022377820001063