El Joint European Torus ( JET ) fue un experimento de física de plasma confinado magnéticamente , ubicado en el Centro Culham para la Energía de Fusión en Oxfordshire , Reino Unido . Basado en un diseño de tokamak , la instalación de investigación de fusión fue un proyecto europeo conjunto con el objetivo principal de abrir el camino a la futura red energética de fusión nuclear . En el momento de su diseño, el JET era más grande que cualquier máquina comparable.
El JET comenzó a funcionar en 1983 y pasó la mayor parte de la década siguiente mejorando su rendimiento en una larga serie de experimentos y actualizaciones. En 1991 se realizaron los primeros experimentos que incluyeron tritio , lo que convirtió al JET en el primer reactor del mundo en funcionar con la mezcla de combustible de producción de 50-50 tritio y deuterio . También se decidió agregar un diseño de desviador al JET, lo que se llevó a cabo entre 1991 y 1993. El rendimiento mejoró significativamente y, en 1997, el JET estableció el récord de aproximación más cercana al punto de equilibrio científico, alcanzando Q = 0,67 en 1997, produciendo 16 MW de energía de fusión mientras inyectaba 24 MW de energía térmica para calentar el combustible. [1]
Entre 2009 y 2011, el JET se cerró para reconstruir muchas de sus partes, con el fin de adoptar conceptos que se estaban utilizando en el desarrollo del proyecto ITER en Saint-Paul-lès-Durance , en Provenza , en el sur de Francia. [2] En diciembre de 2020, se inició una actualización del JET utilizando tritio, como parte de su contribución al ITER. [3]
Inmediatamente después del anuncio del cierre del JET en la conferencia del OIEA en Londres, en octubre de 2023, el grupo "Científicos por el JET" lanzó una petición para pedir una revisión de la decisión de cerrar el JET, ya que los científicos temen que se produzca una brecha de tiempo de investigación y una pérdida de personal entre el cierre del JET y el inicio de las operaciones del ITER. [4]
El JET finalizará sus operaciones en diciembre de 2023 y se espera que su desmantelamiento dure hasta 2040. [5]
Como gran experimento tokamak, el JET fue diseñado para estudiar el comportamiento del plasma en condiciones y dimensiones cercanas a las requeridas en un reactor de fusión. Los objetivos principales del experimento eran investigar: [6]
A principios de los años 1960, la comunidad de investigación de la fusión se encontraba en un punto muerto. Muchos de los métodos experimentales que inicialmente habían sido prometedores no habían logrado producir resultados útiles, y los últimos experimentos indicaban que el rendimiento se había estancado en el límite de difusión de Bohm , muy por debajo de lo que se necesitaría para un generador de fusión práctico. [7]
En 1968, los soviéticos celebraron la reunión periódica de investigadores de la fusión en Novosibirsk , donde presentaron los datos de su tokamak T-3. Esto representó un salto espectacular en el rendimiento de la fusión, al menos diez veces lo que las mejores máquinas del mundo habían producido hasta ese momento. Los resultados fueron tan buenos que algunos los descartaron como mediciones defectuosas. Para contrarrestar esto, los soviéticos invitaron a un equipo del Reino Unido a probar de forma independiente su máquina. Su informe de 1969 confirmó los resultados soviéticos, lo que dio lugar a una "verdadera estampida" de construcción de tokamaks en todo el mundo. [8] [9]
Un problema clave en los diseños de los tokamaks era que no generaban suficiente corriente eléctrica en su plasma para proporcionar el calor necesario para que el combustible alcanzara las condiciones de fusión. Se necesitaba algún tipo de calentamiento externo. No faltaron ideas para ello y a mediados de los años 70 se construyó una serie de máquinas en todo el mundo para explorar estos conceptos. Una de ellas, el Princeton Large Torus (PLT), demostró que la inyección de haz neutro era un concepto viable, utilizándolo para alcanzar temperaturas récord muy superiores a los 50 millones de K, que es el mínimo necesario para un reactor práctico. [10]
Con el éxito del PLT, el camino hacia el punto de equilibrio científico finalmente parecía posible después de décadas de esfuerzo. El punto de equilibrio científico es el punto en el que la energía producida por las reacciones de fusión es igual a la cantidad de energía inyectada para calentar el plasma. Una vez que se alcanza el punto de equilibrio, incluso pequeñas mejoras a partir de ese punto comienzan a aumentar rápidamente la cantidad de energía neta que se libera. Equipos de todo el mundo comenzaron a planificar una nueva generación de máquinas que combinaran los inyectores del PLT con imanes superconductores y recipientes de vacío que pudieran contener combustible de deuterio-tritio en lugar de los combustibles de prueba que contenían deuterio puro o hidrógeno que se habían utilizado hasta ese momento. [11]
En 1971, los estados miembros de la Comunidad Europea de la Energía Atómica (Euratom) decidieron a favor de un sólido programa de fusión y proporcionaron el marco jurídico necesario para el desarrollo de un dispositivo de fusión europeo. [12] En 1975 se completaron las primeras propuestas para la máquina JET. El diseño detallado llevó tres años. [13] A finales de 1977, tras un largo debate, se eligió Culham como sede del nuevo diseño. La financiación se aprobó el 1 de abril de 1978 como entidad jurídica "Empresa Conjunta JET". [14]
El reactor se construyó en un nuevo emplazamiento junto al Centro Culham para la Energía de Fusión , el laboratorio de investigación de fusión del Reino Unido que abrió sus puertas en 1965. La construcción de los edificios estuvo a cargo de Tarmac Construction [15] , comenzando en 1978 con el Torus Hall. El Hall se completó en enero de 1982 y la construcción de la propia máquina JET comenzó inmediatamente después de la finalización del Torus Hall. [14] El coste fue de 198,8 millones de unidades de cuenta europeas (un predecesor del euro) [16] o 438 millones en dólares estadounidenses de 2014. [17]
El JET fue uno de los dos únicos modelos de tokamak diseñados para funcionar con una mezcla real de combustible de deuterio y tritio , el otro fue el TFTR, fabricado en Estados Unidos . Ambos se construyeron con la esperanza de alcanzar el punto de equilibrio científico donde el "factor de ganancia de energía de fusión" o Q = 1,0. [18] [6] [19] [20]
El JET logró su primer plasma el 25 de junio de 1983. [14] Fue inaugurado oficialmente el 9 de abril de 1984 por la reina Isabel II . [21] El 9 de noviembre de 1991, el JET realizó el primer experimento de deuterio-tritio del mundo. [22] Esto superó a la máquina estadounidense, TFTR, por dos años completos. [23]
Aunque tuvieron mucho éxito, el JET y su homólogo TFTR no lograron alcanzar el punto de equilibrio científico. Esto se debió a una variedad de efectos que no se habían observado en máquinas anteriores que operaban a densidades y presiones más bajas. Con base en estos resultados y una serie de avances en el diseño de desviadores y modelado de plasma, surgió un nuevo diseño de tokamak, a veces conocido como "tokamak avanzado". Un tokamak avanzado capaz de alcanzar el punto de equilibrio científico tendría que ser muy grande y muy costoso, lo que condujo al esfuerzo internacional ITER . [24]
En 1991, se realizaron los primeros experimentos que incluyeron tritio , lo que permitió que JET funcionara con el combustible de producción de una mezcla 50-50 de tritio y deuterio . [2] También se decidió en este momento agregar un desviador, lo que permitió la eliminación de material de desecho del plasma. [25] El rendimiento mejoró significativamente, lo que permitió a JET establecer muchos récords en términos de tiempo de confinamiento, temperatura y triple producto de fusión . En 1997, JET estableció el récord de aproximación más cercana al punto de equilibrio científico. Alcanzó Q = 0,67, produciendo 16 MW de energía de fusión mientras inyectaba 24 MW de energía térmica para calentar el combustible, [26] un récord que perduró hasta 2021. [27] [28] Este también fue el récord de mayor energía de fusión producida. [29] [30]
En 1998, los ingenieros del JET desarrollaron un sistema de manipulación remota con el que, por primera vez, era posible intercambiar ciertos componentes utilizando únicamente manos artificiales. Un sistema de "manipulación remota" es, en general, una herramienta esencial para cualquier planta de energía de fusión posterior y, en particular, para el reactor termonuclear experimental internacional (ITER) que se está desarrollando en Saint-Paul-lès-Durance , en Provenza , al sur de Francia. Este sistema de manipulación remota daría lugar posteriormente a RACE (Remote Applications in Challenging Environments) . [31]
En 1999 se estableció el Acuerdo Europeo para el Desarrollo de la Fusión (EFDA), que se encarga del futuro uso colectivo del JET. [32]
En octubre de 2009, se inició un período de parada de 15 meses para reconstruir muchas partes del JET para adoptar los conceptos utilizados en el desarrollo del proyecto ITER en Saint-Paul-lès-Durance , en Provenza , en el sur de Francia. [2] Esto incluye reemplazar los componentes de carbono en el recipiente de vacío con tungsteno y berilio . [33]
A mediados de mayo de 2011, el período de confinamiento llegó a su fin. [34] La primera campaña experimental tras la instalación del «muro similar al ITER» comenzó el 2 de septiembre de 2011. [35]
El 14 de julio de 2014, la Comisión Europea firmó un contrato por valor de 283 millones de euros para una extensión de cinco años más, de modo que en el JET se puedan realizar investigaciones más avanzadas sobre energías superiores. [36]
El Brexit puso en duda los planes para el JET. Como parte de su plan para abandonar la UE, el Reino Unido debía abandonar Euratom, que proporciona la financiación para el JET. [37] Las conversaciones sobre la financiación después de 2018, cuando expiró el plan de cinco años, comenzaron y un nuevo acuerdo para extender la operación del JET hasta 2019 o 2020 parecía estar prácticamente completo. Estas conversaciones se suspendieron después del anuncio del Brexit. [12] Sin embargo, en marzo de 2019, el Gobierno del Reino Unido y la Comisión Europea firmaron una extensión del contrato para el JET. [38] Esto garantizó las operaciones del JET hasta finales de 2024 independientemente de la situación del Brexit. [39] En diciembre de 2020, se inició una actualización del JET utilizando tritio, como parte de su contribución al ITER. [3]
El 21 de diciembre de 2021, el JET produjo 59 megajulios utilizando combustible de deuterio-tritio mientras mantenía la fusión durante un pulso de cinco segundos, superando su récord anterior de 21,7 megajulios con Q = 0,33, establecido en 1997. [28] [40]
En octubre de 2023, el JET estableció su último récord de energía de fusión, al producir 69,29 megajulios en 6 segundos a partir de solo 0,21 mg de combustible DT . [41] [42] En noviembre de 2023, se inició una petición pidiendo que no se cerrara el JET, ya que los científicos temían una brecha de tiempo de investigación y una pérdida de personal entre el cierre del JET y el inicio de las operaciones del ITER. [4] Las operaciones cesaron en diciembre, después de realizar 105.842 pulsos, y se espera que el desmantelamiento dure hasta 2040. [5] Los pulsos finales se utilizaron para operar el JET fuera de sus capacidades de diseño. [43] Se espera que el proceso de desmantelamiento y reutilización dure hasta 2040. [5]
Inmediatamente después del anuncio del cierre del JET en la conferencia del OIEA en Londres, en octubre de 2023, el grupo "Científicos por el JET" lanzó una petición para pedir una revisión de la decisión de cerrar el JET. [4] Los científicos están preocupados por el hecho de que la fecha de finalización del JET se fijó asumiendo que el ITER estaría en funcionamiento para esa fecha para continuar con los experimentos de fusión, pero con el aplazamiento del inicio del ITER [44] y las reacciones de deuterio-tritio (DT) del ITER programadas solo para 2039, habrá un intervalo de muchos años sin investigación sobre la fusión. [4] [44]
El JET tiene un radio mayor de 3 metros, y la cámara de vacío en forma de D tiene 2,5 metros de ancho y 4,2 metros de alto. [45] El volumen total de plasma en su interior es de 100 metros cúbicos, aproximadamente 100 veces más grande que la máquina más grande en producción cuando comenzó el diseño del JET. [46]
El JET fue uno de los primeros tokamaks diseñados para utilizar una cámara de vacío en forma de D. Inicialmente, se consideró que esta opción era una forma de mejorar el factor de seguridad, pero durante el diseño también se observó que facilitaría mucho la construcción mecánica del sistema, ya que reducía las fuerzas netas a través de la cámara que intentan forzar el toro hacia el centro del eje mayor. Lo ideal sería que los imanes que rodean la cámara fueran más curvados en la parte superior e inferior y menos en el interior y el exterior para soportar estas fuerzas, lo que da lugar a una especie de forma ovalada a la que la D se aproximaba mucho. La forma más plana en el borde interior también era más fácil de soportar debido a la superficie más grande y plana. [47]
Mientras exploraban la estabilidad de varias formas de plasma en una computadora, el equipo notó que los plasmas no circulares no anulaban exactamente la deriva vertical que los campos retorcidos originalmente se habían introducido para resolver. Si el plasma se desplazaba hacia arriba o hacia abajo, continuaría viajando en esa dirección. Sin embargo, las simulaciones demostraron que la tasa de deriva era lo suficientemente lenta como para contrarrestarla utilizando imanes adicionales y un sistema de retroalimentación electrónico. [45]
El campo magnético primario de un tokamak es proporcionado por una serie de imanes que rodean la cámara de vacío. En el JET, se trata de una serie de 32 imanes enrollados en cobre, cada uno de los cuales pesa 12 toneladas. En total, transportan una corriente de 51 MA y, como tuvieron que hacerlo durante períodos de decenas de segundos, están refrigerados por agua. Cuando está en funcionamiento, la bobina intenta expandirse con una fuerza de 6 MN , hay un campo neto hacia el centro del eje mayor de 20 MN y una fuerza de torsión adicional porque el campo poloidal dentro del plasma está en diferentes direcciones en la parte superior e inferior. Todas estas fuerzas se transmiten a la estructura externa. [48]
Alrededor de todo el conjunto se encuentra el transformador de ocho brazos de 2.600 toneladas que se utiliza para inducir una corriente en el plasma. El objetivo principal de esta corriente es generar un campo poloidal que se mezcla con el suministrado por los imanes toroidales para producir el campo retorcido dentro del plasma. La corriente también cumple el objetivo secundario de ionizar el combustible y proporcionar algo de calentamiento al plasma antes de que otros sistemas tomen el control. [49]
La principal fuente de calor en el JET es proporcionada por dos sistemas, inyección de haz neutro de iones positivos y calentamiento por resonancia ciclotrónica de iones. El primero utiliza pequeños aceleradores de partículas para disparar átomos de combustible al plasma, donde las colisiones hacen que los átomos se ionicen y queden atrapados con el resto del combustible. Estas colisiones depositan la energía cinética de los aceleradores en el plasma. El calentamiento por resonancia ciclotrónica de iones es esencialmente el equivalente en plasma de un horno microondas , que utiliza ondas de radio para bombear energía directamente a los iones al igualar su frecuencia ciclotrónica . El JET fue diseñado para que inicialmente se construyera con unos pocos megavatios de ambas fuentes, y luego se ampliara a 25 MW de rayos neutros y 15 MW de calentamiento por ciclotrón. [50]
Los requisitos de potencia del JET durante el pulso de plasma son de alrededor de 500 MW [51] con picos superiores a 1000 MW. [52] Debido a que el consumo de energía de la red principal está limitado a 575 MW, se construyeron dos grandes generadores de volante de inercia para proporcionar esta energía necesaria. [52] Cada volante de inercia de 775 toneladas puede girar hasta 225 rpm y almacenar 3,75 GJ, [53] aproximadamente la misma cantidad de energía cinética que un tren de 5000 toneladas que viaja a 140 kilómetros por hora (87 mph). Cada volante de inercia utiliza 8,8 MW para girar y puede generar 400 MW (brevemente). [52]
Medios relacionados con Joint European Torus en Wikimedia Commons51°39′33″N 1°13′35″O / 51.65917, -1.22639
