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Tecnologías TAE

TAE Technologies , anteriormente Tri Alpha Energy , es una empresa estadounidense con sede en Foothill Ranch, California, que desarrolla energía de fusión aneutrónica . El diseño de la empresa se basa en una configuración avanzada de campo invertido (FRC) impulsada por haz , [6] que combina características de la física del acelerador y otros conceptos de fusión de una manera única, y está optimizada para combustible de hidrógeno-boro, también conocido como protón-boro o p - 11 B. [7] [8] Publica regularmente resultados teóricos y experimentales en revistas académicas con cientos de publicaciones y carteles en conferencias científicas y en una biblioteca de investigación que alberga estos artículos en su sitio web. [9] [10] [11] TAE ha desarrollado cinco generaciones de plataformas de fusión originales y una sexta actualmente en desarrollo. [12] Su objetivo es fabricar un prototipo de reactor de fusión comercial para 2030. [13]

Organización

La empresa fue fundada en 1998 y está respaldada por capital privado. [14] [15] [16] [17] Funcionó como una empresa oculta durante muchos años, absteniéndose de lanzar su sitio web hasta 2015. [18] En general, no discutió el progreso ni ningún cronograma para la producción comercial. [16] [19] [20] Sin embargo, ha registrado y renovado varias patentes. [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27]

En 2021, se informó que TAE Technologies tenía más de 250 empleados [5] y había recaudado más de 880 millones de dólares estadounidenses. [28]

Fondos

La principal financiación ha venido de Goldman Sachs y capitalistas de riesgo como Vulcan Inc. del cofundador de Microsoft , Paul Allen , Venrock de Rockefeller y New Enterprise Associates de Richard Kramlich . El Gobierno de Rusia , a través de la sociedad anónima Rusnano , invirtió en Tri Alpha Energy en octubre de 2012, y Anatoly Chubais , director ejecutivo de Rusnano, se convirtió en miembro de la junta. [16] [19] [29] [30] [31] Otros inversores incluyen Wellcome Trust y Kuwait Investment Authority . [32] En julio de 2017, la empresa informó que había recaudado más de 500 millones de dólares en respaldo. [7] En 2020, había recaudado más de 600 millones de dólares, [33] que aumentaron a alrededor de 880 millones de dólares en 2021 [32] y 1.200 millones de dólares en 2022. [34]

Liderazgo y junta directiva

La tecnología de TAE fue cofundada por el físico Norman Rostoker , como un derivado de su trabajo en la Universidad de California, Irvine . [35] Steven Specker, exdirector ejecutivo del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI), fue director ejecutivo desde octubre de 2016 hasta julio de 2018. Michl Binderbauer , quien obtuvo su doctorado en física del plasma bajo la guía de Rostoker en la UCI, [12] pasó de director técnico a director ejecutivo tras la jubilación de Specker. Specker sigue siendo asesor. [36] Otros miembros de la junta incluyen a Jeff Immelt , exdirector ejecutivo de General Electric ; [37] John J. Mack , exdirector ejecutivo de Morgan Stanley; [38] y Ernest Moniz , exsecretario de Energía de los Estados Unidos en el Departamento de Energía de los Estados Unidos , que se unió a la junta directiva de la empresa en mayo de 2017. [39] [40]

Colaboradores

Desde 2014, TAE Technologies ha trabajado con Google para desarrollar un proceso para analizar los datos recopilados sobre el comportamiento del plasma en los reactores de fusión. [41] En 2017, utilizando una herramienta de aprendizaje automático desarrollada a través de la asociación y basada en el "Algoritmo Optometrista", encontró mejoras significativas en la contención y estabilidad del plasma con respecto a la máquina C-2U anterior. [42] Los resultados del estudio se publicaron en Scientific Reports . [43]

En noviembre de 2017, la empresa fue admitida en un programa del Departamento de Energía de los Estados Unidos , "Impacto computacional innovador y novedoso en la teoría y la experimentación", que le dio acceso a la supercomputadora Cray XC40 . [1]

En 2021, TAE Technologies anunció un proyecto de investigación conjunto con el Instituto de Ciencias de la Fusión de Japón (NIFS), [44] un estudio de tres años de duración sobre los efectos de las reacciones del combustible de hidrógeno y boro en el Gran Dispositivo Helicoidal (LHD) del NIFS. [45]

Subsidiarias

Ciencias de la vida TAE

En marzo de 2018, TAE Technologies anunció que había recaudado 40 millones de dólares para crear TAE Life Sciences, una subsidiaria enfocada en refinar la terapia de captura de neutrones de boro (BNCT) para el tratamiento del cáncer, [46] con financiación liderada por ARTIS Ventures. [47] TAE Life Sciences también anunció que se asociaría con Neuboron Medtech, que sería el primero en instalar el sistema de haz de la empresa. TAE Life Sciences comparte miembros de la junta directiva con TAE Technologies y está dirigida por Bruce Bauer. [48]

Soluciones energéticas TAE

En septiembre de 2021, TAE Technologies anunció la formación de una nueva división, Power Solutions, [49] para comercializar los sistemas de gestión de energía desarrollados en el reactor C-2W/Norman para los mercados de vehículos eléctricos , infraestructura de carga y almacenamiento de energía , con el veterano industrial David Roberts como su director ejecutivo.

Diseño

Teoría subyacente

Un FRC es un bucle de plasma. A medida que la corriente se mueve a su alrededor, crea un campo que contiene el plasma. En la práctica, tiene la forma de un hot dog.
Un FRC es un bucle de plasma. A medida que la corriente se mueve a su alrededor, crea un campo que contiene el plasma. En la práctica, tiene la forma de un hot dog.

En los métodos de fusión de línea principal, la energía necesaria para permitir las reacciones, la barrera de Coulomb , se proporciona calentando el combustible de fusión a millones de grados. En dicho combustible, los electrones se disocian de sus iones para formar una mezcla similar a un gas conocida como plasma . En cualquier mezcla similar a un gas, las partículas se encontrarán en una amplia variedad de energías, de acuerdo con la distribución de Maxwell-Boltzmann . En estos sistemas, la fusión se produce cuando dos de las partículas de mayor energía en la mezcla chocan aleatoriamente. Mantener el combustible unido el tiempo suficiente para que esto ocurra es un gran desafío.

Las máquinas de TAE hacen girar el plasma hasta formar una estructura en forma de bucle llamada configuración de campo invertido (FRC), que es un bucle de plasma caliente y denso. [50] El material dentro de una FRC está autocontenido por los campos que crea el plasma. A medida que la corriente de plasma se mueve alrededor del bucle, crea un campo magnético perpendicular a la dirección del movimiento, de forma muy similar a como lo haría la corriente en un cable. Este campo autocreado ayuda a retener la corriente de plasma y mantiene estable el bucle.

El desafío de las configuraciones de campo invertido es que se ralentizan con el tiempo, se tambalean y finalmente colapsan. La innovación de la empresa fue aplicar continuamente haces de partículas a lo largo de la superficie del FRC para mantenerlo en rotación. [51] Este sistema de vigas y aros fue clave para aumentar la longevidad, la estabilidad y el rendimiento de las máquinas.

Diseño de TAE

El diseño TAE forma una configuración de campo invertido (FRC), un toroide giratorio autoestabilizado de partículas similar a un anillo de humo . En el sistema TAE, el anillo se hace lo más delgado posible, aproximadamente con la misma relación de aspecto que una lata abierta . Los aceleradores de partículas inyectan iones de combustible tangencialmente a la superficie del cilindro, donde reaccionan o son capturados en el anillo como combustible adicional.

A diferencia de otros dispositivos de fusión por confinamiento magnético, como el tokamak , los FRC proporcionan una topología de campo magnético mediante la cual el campo axial dentro del reactor se invierte por corrientes de Foucault en el plasma, en comparación con el campo magnético ambiental aplicado externamente por solenoides. El FRC es menos propenso a inestabilidades magnetohidrodinámicas y de plasma que otros métodos de fusión por confinamiento magnético. [52] [53] [54] La ciencia detrás del reactor de fusión de haz colisionante se utiliza en los proyectos C-2, C-2U y C-2W de la empresa.

Un concepto clave del sistema TAE es que el FRC se mantiene en un estado útil durante un período prolongado. Para ello, los aceleradores inyectan el combustible de forma que, cuando las partículas se dispersan dentro del anillo, hacen que el combustible que ya se encuentra allí acelere su rotación. Este proceso normalmente aumentaría lentamente la carga positiva de la masa del combustible, por lo que también se inyectan electrones para mantener la carga aproximadamente neutralizada.

El FRC se mantiene en una cámara de vacío cilíndrica del tamaño de un camión que contiene solenoides . [17] [55] [56] [57] Parece que luego el FRC se comprimirá, ya sea utilizando una compresión adiabática similar a las propuestas para los sistemas de espejos magnéticos en la década de 1950, o forzando la unión de dos de estos FRC utilizando una disposición similar. [11]

El diseño debe alcanzar el umbral de "suficientemente caliente/suficientemente largo" (HELE) para lograr la fusión. La temperatura requerida es de 3 mil millones de grados Celsius (~250 keV), mientras que la duración requerida (alcanzada con C2-U) es de varios milisegundos. [58]

El11B(pag,α)αα reacción aneutrónica

Un componente esencial del diseño es el uso de "combustibles avanzados", es decir, combustibles con reacciones primarias que no producen neutrones , como el hidrógeno y el boro-11 . Los productos de fusión de FRC son todos partículas cargadas para las que es factible una conversión de energía directa de alta eficiencia. El flujo de neutrones y la radiactividad in situ asociada son prácticamente inexistentes. Por lo tanto, a diferencia de otras investigaciones de fusión nuclear que involucran deuterio y tritio , y a diferencia de la fisión nuclear , no se crean desechos radiactivos . [59] El combustible de hidrógeno y boro-11 utilizado en este tipo de reacción también es mucho más abundante. [60]

TAE Technologies se basa en la reacción limpia 11 B( p ,α)αα, también escrita 11 B( p ,3α), que produce tres núcleos de helio llamados partículas α− (de ahí el nombre de la empresa) de la siguiente manera:

Un protón (idéntico al núcleo de hidrógeno más común) que choca con el boro-11 crea una resonancia en el carbono-12 , que se desintegra emitiendo una partícula α primaria de alta energía . Esto conduce al primer estado excitado del berilio-8 , que se desintegra en dos partículas α secundarias de baja energía . Este es el modelo comúnmente aceptado en la comunidad científica , ya que los resultados publicados dan cuenta de un experimento de 1987. [61]

TAE afirmó que los productos de reacción deberían liberar más energía de lo que comúnmente se prevé. En 2010, Henry R. Weller y su equipo del Laboratorio Nuclear de Triangle Universities (TUNL) utilizaron la fuente de rayos γ de alta intensidad (HIγS) en la Universidad de Duke , financiada por TAE y el Departamento de Energía de EE. UU., [62] para demostrar que el mecanismo propuesto primero por Ernest Rutherford y Mark Oliphant en 1933, [63] luego Philip Dee y CW Gilbert del Laboratorio Cavendish en 1936, [64] y los resultados de un experimento realizado por investigadores franceses de IN2P3 en 1969, [65] era correcto. El modelo y el experimento predijeron dos partículas α de alta energía de energía casi igual. Una era la partícula α primaria y la otra una partícula α secundaria, ambas emitidas en un ángulo de 155 grados. También se emite una tercera partícula α secundaria, de menor energía. [66] [67] [10] [68]

Convertidor ciclotrón inverso (ICC)

Los sistemas de conversión de energía directa para otros generadores de energía de fusión, que involucran placas colectoras y " persianas venecianas " o una cavidad de microondas lineal larga llena de un campo magnético de 10 Tesla y rectenas , no son adecuados para la fusión con energías iónicas superiores a 1 MeV . La compañía empleó un dispositivo mucho más corto, un convertidor de ciclotrón inverso (ICC) que operaba a 5 MHz y requería un campo magnético de solo 0,6 tesla. El movimiento lineal de los iones del producto de fusión se convierte en movimiento circular mediante una cúspide magnética. La energía se recoge de las partículas cargadas a medida que pasan en espiral por electrodos cuadrupolos . Los colectores más clásicos recogen partículas con energía inferior a 1 MeV. [17] [22] [23]

La estimación de la relación entre la potencia de fusión y la pérdida de radiación para un FRC de 100 MW se ha calculado para diferentes combustibles, asumiendo una eficiencia del convertidor del 90% para partículas α, [69] 40% para la radiación de frenado a través del efecto fotoeléctrico y 70% para los aceleradores, con bobinas magnéticas superconductoras de 10T: [17]

La polarización de espín mejora la sección transversal de fusión en un factor de 1,6 para 11 B. [70] Un aumento adicional en Q debería resultar del momento cuadrupolar nuclear de 11 B. [54] Y otro aumento en Q también puede resultar del mecanismo que permite la producción de una partícula α secundaria de alta energía. [10] [67] [68]

TAE Technologies planea utilizar la reacción p - 11 B en su FRC comercial por razones de seguridad y porque los sistemas de conversión de energía son más simples y pequeños: como no se libera ningún neutrón, la conversión térmica es innecesaria, por lo tanto no hay intercambiador de calor ni turbina de vapor .

Los reactores de 100 MW del tamaño de un camión diseñados en las presentaciones de TAE se basan en estos cálculos. [17]

Progresión de las máquinas

Tubería de alcantarillado

Desarrollada en 1998, la máquina de prueba de concepto de la empresa se creó utilizando una tubería de alcantarillado común y demostró por primera vez la viabilidad de formar un campo magnético configurado en campo inverso. [12] [71]

CBFR-SPS

El CBFR-SPS es un concepto de cohete de fusión aneutrónico de configuración de campo magnético invertido de clase 100 MW . El reactor se alimenta con una mezcla de iones energéticos de hidrógeno y boro ( p - 11 B). Los productos de fusión son iones de helio (partículas α) expulsados ​​axialmente fuera del sistema. Las partículas α que fluyen en una dirección se desaceleran y su energía se convierte directamente para impulsar el sistema; y las partículas expulsadas en la dirección opuesta proporcionan empuje . Dado que los productos de fusión son partículas cargadas y no liberan neutrones, el sistema no requiere el uso de un escudo de radiación masivo . [72] [73]

C-2

TAE Technologies ha llevado a cabo varios experimentos en el dispositivo toroidal compacto más grande del mundo, llamado "C-2". Los resultados comenzaron a publicarse regularmente en 2010, con artículos que incluían a 60 autores. [11] [74] [75] [76] [77] Los resultados de C-2 mostraron temperaturas de iones pico de 400 electronvoltios (5 millones de grados Celsius), temperaturas de electrones de 150 electronvoltios , densidades de plasma de 1·10 19 m −3 y 1·10 9 neutrones de fusión por segundo durante 3 milisegundos. [11] [78]

Instituto Budker

El Instituto Budker de Física Nuclear de Novosibirsk construyó un potente inyector de plasma, que fue enviado a fines de 2013 a las instalaciones de investigación de la empresa. El dispositivo produce un haz neutro en el rango de 5 a 20 MW e inyecta energía dentro del reactor para transferirla al plasma de fusión. [27] [79] [80]

C-2U

En marzo de 2015, el C-2U mejorado con haces de polarización de borde mostró una mejora de 10 veces en la vida útil, con FRC calentados a 10 millones de grados Celsius y con una duración de 5 milisegundos sin signos de decaimiento. [ cita requerida ] El C-2U funciona disparando dos plasmas con forma de rosquilla uno contra el otro a 1 millón de kilómetros por hora, [81] el resultado es un FRC con forma de cigarro de hasta 3 metros de largo y 40 centímetros de ancho. [82] El plasma se controló con campos magnéticos generados por electrodos e imanes en cada extremo del tubo. El sistema de haz de partículas mejorado proporcionó 10 megavatios de potencia. [83] [84]

C-2W/Norman

En 2017, TAE Technologies renombró el reactor C-2W como "Norman" en honor al cofundador de la empresa, Norman Rostoker, quien murió en 2014. En julio de 2017, la empresa anunció que el reactor Norman había logrado plasma. [85] Según se informa, el reactor Norman puede operar a temperaturas entre 50 millones y 70 millones de °C. [7] En febrero de 2018, la empresa anunció que después de 4000 experimentos había alcanzado una temperatura alta de casi 20 millones de °C. [86] En 2018, TAE Technologies se asoció con el equipo de Ciencias Aplicadas de Google para desarrollar la tecnología dentro de Norman para maximizar la temperatura de los electrones, con el objetivo de demostrar la fusión de equilibrio. [87] En 2021, TAE Technologies declaró que Norman estaba produciendo regularmente un plasma estable a temperaturas superiores a los 50 millones de grados, cumpliendo un hito clave para la máquina y desbloqueando $ 280 millones adicionales en financiación, lo que eleva el total de financiación recaudada a $ 880 millones. [32] En 2023, la empresa publicó un artículo revisado por pares que informaba sobre la primera medición de la fusión p - 11 B en plasma confinado magnéticamente en el LHD en Japón. [88]

Copérnico

El dispositivo Copernicus funcionará con hidrógeno y se espera que alcance una ganancia neta de energía alrededor de 2025. [89] [36] El costo aproximado del reactor es de 200 millones de dólares y se pretende que alcance temperaturas de alrededor de 100 millones de °C para validar las condiciones necesarias para la fusión de deuterio-tritio mientras la empresa escala al combustible p - 11 B por su perfil ambiental y de costo superior. TAE tiene la intención de comenzar la construcción en 2022. [90]

Da Vinci

El dispositivo Da Vinci es un dispositivo sucesor propuesto de Copernicus y un prototipo de reactor comercialmente escalable. Su desarrollo está previsto para la segunda mitad de la década de 2020 y se espera que alcance los 3.000 millones de °C y produzca energía de fusión a partir del ciclo de combustible p - 11 B. [90]

Véase también

Referencias

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