Un factor de ganancia de energía de fusión , generalmente expresado con el símbolo Q , es la relación entre la potencia de fusión producida en un reactor de fusión nuclear y la potencia requerida para mantener el plasma en estado estable . La condición de Q = 1, cuando la potencia liberada por las reacciones de fusión es igual a la potencia de calentamiento requerida, se conoce como punto de equilibrio o, en algunas fuentes, punto de equilibrio científico .
La energía liberada por las reacciones de fusión puede ser capturada dentro del combustible, provocando un 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 los combustibles típicos, no se espera que el autocalentamiento en los reactores de fusión coincida con el de las fuentes externas hasta al menos 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 diseños prácticos de reactores. La ignición corresponde a Q infinito .
Con el tiempo, varios términos relacionados han entrado en el léxico de 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 denomina funcionamiento en punto de equilibrio de ingeniería . Operando por encima del punto de equilibrio de ingeniería, una máquina produciría más electricidad de la que utiliza y podría vender ese excedente. Aquel que vende suficiente electricidad para cubrir sus costos operativos a veces se le 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 diversos gases de prueba como el hidrógeno o el deuterio . Se dice que un reactor que funciona con estos combustibles y alcanza las condiciones de equilibrio si se introduce tritio se encuentra en un equilibrio extrapolado .
Durante más de dos décadas desde 1997, el récord de Q lo mantuvo JET con Q = 0,67. El récord de Q text lo ostentaba JT-60 , con Q text = 1,25, superando ligeramente al anterior Q text = 1,14 de JET. En diciembre de 2022, la Instalación Nacional de Ignición alcanzó Q = 1,54 con una salida de 3,15 MJ a partir de un calentamiento por láser de 2,05 MJ, que sigue siendo el récord a partir de 2023 [actualizar]. [1]
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 calor , en condiciones normales de funcionamiento. Para aquellos diseños que no funcionan en estado estacionario, sino que son pulsados, se puede hacer el mismo cálculo sumando toda la energía de fusión producida en P fus y toda la energía gastada para producir el pulso en P calor . [b] Sin embargo, existen varias definiciones de punto de equilibrio que consideran pérdidas de energía adicionales.
En 1955, John Lawson fue el primero en explorar en detalle los mecanismos del equilibrio energético, inicialmente en trabajos clasificados, pero publicados abiertamente en un artículo ahora famoso de 1957. En este artículo consideró y perfeccionó 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 diversos mecanismos, y la comparó con la energía necesaria para sostener la reacción. [2] Este equilibrio se conoce hoy como criterio de Lawson .
En un diseño exitoso de reactor de fusión, las reacciones de fusión generan una cantidad de energía denominada Pfus . [c] Parte de esta energía, pérdida de P , se pierde a través de una variedad de mecanismos, principalmente la convección del combustible a las paredes de la cámara del reactor y diversas formas de radiación que no pueden capturarse para generar energía. Para mantener la reacción, el sistema debe proporcionar calentamiento para compensar estas pérdidas, donde P pérdida = P calor para mantener el equilibrio térmico. [3]
La definición más básica de punto de equilibrio es cuando Q = 1, [d] es decir, P fus = P calor .
Con el tiempo se fueron proponiendo nuevos tipos de dispositivos de fusión con diferentes sistemas operativos. De particular interés es el concepto de fusión por confinamiento inercial o ICF. Los enfoques magnéticos, abreviados MCF, generalmente están diseñados para funcionar en estado (casi) 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 tiempo del combustible experimente una reacción de fusión. Por el contrario, las reacciones ICF duran sólo un tiempo del orden de docenas de reacciones de fusión y, en cambio, intentan garantizar que las condiciones sean tales que gran parte del combustible se fusionará incluso en este lapso de tiempo tan corto. Para ello, los dispositivos ICF comprimen el combustible hasta condiciones extremas, en las que las reacciones de autocalentamiento se producen muy rápidamente. [4]
En un dispositivo MCF, el plasma inicial se configura y mantiene mediante grandes imanes, que en los dispositivos superconductores modernos requieren muy poca energía para funcionar. Una vez configurado, 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 estado estacionario es algo bastante cercano a toda la energía que se alimenta al reactor, y la eficiencia de los sistemas de calefacción 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 más abajo).
Por el contrario, en los dispositivos ICF la energía necesaria para crear las condiciones requeridas es enorme, y los dispositivos que lo hacen, normalmente láseres , son extremadamente ineficientes, alrededor del 1%. [5] Si se utilizara una definición similar de calor P , es decir, toda la energía que se introduce en el sistema, entonces los dispositivos ICF son irremediablemente ineficientes. Por ejemplo, el NIF utiliza más de 400 MJ de energía eléctrica para producir una potencia de 3,15 MJ. A diferencia del MCF, esta energía debe suministrarse para provocar cada reacción, no sólo para que el sistema esté en funcionamiento. [6] [7]
Los defensores del ICF señalan que se podrían utilizar "impulsores" alternativos que mejorarían esta proporción al menos diez veces. Si uno intenta comprender las mejoras en el rendimiento de un sistema ICF, entonces lo interesante no es el rendimiento de los controladores, 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 conductor que realmente llega al combustible, alrededor de 2 MJ en el caso de NIF. Usando esta definición de P calor , se llega a una Q de 1,5. En última instancia, esta es la misma definición que se utiliza en MCF, pero las pérdidas aguas arriba son menores en esos sistemas y no es necesaria ninguna distinción.
Para dejar clara esta distinción, los trabajos modernos a menudo se refieren a esta definición como equilibrio científico , Q sci o, a veces, Q plasma , para contrastarlo con términos similares. [8] [9]
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 altamente móvil, representa una importante preocupación de seguridad y aumenta el costo de diseño y operación de dicho reactor. [10]
Para reducir 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 con hidrógeno o deuterio solo. [11]
Los registros del punto de equilibrio extrapolado son ligeramente superiores a los registros del punto de equilibrio científico. Tanto el JET como el JT-60 han alcanzado valores de alrededor de 1,25 (consulte los detalles a continuación) mientras funcionan con combustible DD. Cuando se ejecuta en DT, solo posible en JET, el rendimiento máximo es aproximadamente la mitad del valor extrapolado. [12]
Otro término relacionado, 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. [11] Este circuito cerrado que envía electricidad de la fusión de regreso al sistema de calefacción se conoce como recirculación . En este caso, la definición básica cambia al agregar términos adicionales al lado de P fus para considerar las eficiencias de estos procesos. [13]
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 que puedan depositar energía nuevamente en él. Esto significa que sólo las partículas cargadas de las reacciones pueden quedar atrapadas dentro de la masa de combustible y dar lugar a un 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 P ch es capturado 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 . [14]
En el caso de los neutrones que transportan la mayor parte de la energía práctica, como es el caso del combustible DT, esta energía de neutrones normalmente se captura en una " manta " de litio que produce más tritio que se utiliza para alimentar el reactor. Debido a diversas reacciones exotérmicas y endotérmicas , la manta puede tener un factor de ganancia de potencia M R . M R suele ser 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 tanto, disponible para la producción de energía, se denomina P R , la potencia neta de producción del reactor. [14]
Luego se enfría la manta y el fluido refrigerante se utiliza en un intercambiador de calor que acciona turbinas y generadores de vapor convencionales . Luego, esa electricidad se devuelve al sistema de calefacción. [14] Cada uno de estos pasos en la cadena de generación tiene una eficiencia a considerar. En el caso de los sistemas de calentamiento por plasma, es del orden del 60 al 70%, mientras que los sistemas generadores modernos basados en el ciclo Rankine rondan el 35 al 40%. Combinando estos obtenemos una eficiencia neta del circuito de conversión de energía en su conjunto, de alrededor de 0,20 a 0,25. Es decir, se puede recircular aproximadamente del 20 al 25%. [14]
Por tanto, el factor de ganancia de energía de fusión necesario para alcanzar el equilibrio de ingeniería se define como: [15]
Para entender cómo se utiliza, considere un reactor que funciona a 20 MW y Q = 2. Q = 2 a 20 MW implica que P calor es 10 MW. De esos 20 MW originales, alrededor del 20% son alfa, por lo que, suponiendo una captura completa, 4 MW de calor P se autoabastecen. Necesitamos un total de 10 MW de calefacción y obtenemos 4 de ellos a través de alfa, por lo que necesitamos otros 6 MW de potencia. De los 20 MW de producción originales, quedan 4 MW en el combustible, por lo que tenemos 16 MW de producción neta. Utilizando un M R de 1,15 para la manta, obtenemos un P R de 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. A Q = 4 se necesitan 5 MW de calefacción, 4 de los cuales provienen de la fusión, lo que deja 1 MW de energía externa requerida, que puede generarse fácilmente con la producción neta de 18,4 MW. Así, para este diseño teórico el Q E está entre 2 y 4.
Teniendo en cuenta las pérdidas y eficiencias del mundo real, los valores de Q entre 5 y 8 generalmente se enumeran para que los dispositivos de confinamiento magnético alcancen , [14] mientras que los dispositivos inerciales tienen valores dramáticamente más bajos y, por lo tanto, requieren valores de Q mucho más altos, del orden de 50 a 100. . [dieciséis]
A medida que aumenta la temperatura del plasma, la velocidad de las reacciones de fusión crece rápidamente y, con ella, la velocidad de autocalentamiento. Por el contrario, las pérdidas de energía no capturables, como los rayos X, no crecen al mismo ritmo. Así, 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. [17]
Finalmente, el calor P llega a cero, es decir, toda la energía necesaria para mantener el plasma a la temperatura operativa se suministra mediante autocalentamiento y la cantidad de energía externa que debe agregarse cae a cero. Este punto se conoce como ignición . En el caso del combustible DT, donde sólo el 20% de la energía se libera en forma de alfas que dan lugar al autocalentamiento, esto no puede ocurrir hasta que el plasma libere al menos cinco veces la energía necesaria para mantenerlo a su temperatura de trabajo. [17]
El encendido, por definición, corresponde a un Q infinito , pero eso no significa que f recirc caiga a cero ya que el resto de energía del sistema, como los imanes y los sistemas de refrigeración, todavía necesitan ser alimentados. Generalmente, sin embargo, son mucho más pequeños que la energía en los calentadores y requieren una frecuencia mucho menor . Más importante aún, es más probable que este número sea casi constante, lo que significa que mayores mejoras en el rendimiento del plasma darán como resultado más energía que puede usarse directamente para la generación comercial, en lugar de la recirculación. [18]
La definición final de equilibrio es el equilibrio comercial , que se produce cuando el valor económico de cualquier electricidad neta sobrante después de la recirculación es suficiente para pagar el reactor. [11] Este valor depende tanto del coste de capital del reactor como de los costes financieros relacionados con él, sus costes operativos , incluidos el combustible y el mantenimiento, y el precio al contado de la energía eléctrica. [11] [19]
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 completamente encendido que funcione mucho más allá del punto de equilibrio de ingeniería no genere suficiente electricidad con la suficiente rapidez para amortizarse. En el terreno se debate si alguno de los conceptos principales como ITER puede alcanzar este objetivo. [20]
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 mucha energía. [21] Esta reacción emite la mayor parte de su energía en forma de un único neutrón altamente energético, y sólo el 20% de la energía en forma de alfa. Por tanto, para la reacción DT, f ch = 0,2. Esto significa que el autocalentamiento no se vuelve igual al calentamiento externo hasta al menos Q = 5. [17]
Los valores de eficiencia dependen de los detalles del diseño, pero pueden estar en el rango de η calor = 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. Más bajo sería mejor, pero será difícil de lograr. Usando estos valores encontramos para un reactor práctico Q = 22. [22]
Utilizando estos valores y considerando el ITER, el reactor produce 500 MW de potencia de fusión para 50 MW de suministro. Si el 20% de la producción se autocalienta, eso significa que se escapan 400 MW. Suponiendo el mismo η calor = 0,7 y η elec = 0,4, ITER (en teoría) podría producir hasta 112 MW de calefacción. Esto significa que el ITER operaría con un 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 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. [12] [22]
Con el tiempo, a medida que el rendimiento aumentó en órdenes de magnitud, los tiempos de reacción se extendieron de microsegundos a segundos, y el ITER está diseñado para realizar disparos que duran varios minutos. En este caso, la definición de "todo el ciclo de reacción" se vuelve confusa. En el caso de un plasma encendido, por ejemplo, el calor P puede ser bastante alto mientras se instala 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 en el que se enciende. operando en su mejor momento para determinar una Q alta o infinita . Una mejor solución en estos casos es utilizar la definición original de Lawson promediada sobre la reacción para producir un valor similar al de la definición original. [12]
Hay 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 cierto cuando el plasma alcanza su temperatura operativa y entra en equilibrio térmico. Por lo tanto, si se promedia 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 se habría liberado en P fus y, por lo tanto, no es indicativo de un estado operativo. P. [12]
Los operadores del reactor JET argumentaron que esta entrada debería eliminarse del total: donde:
Es decir, P temp es la potencia aplicada para elevar la energía interna del plasma. Es esta definición la que se utilizó al informar el valor récord de 0,67 del JET. [12]
Continúa cierto debate sobre esta definición. 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 JET de Q*. Utilizando esta definición, JET también había alcanzado un punto de equilibrio extrapolado algún tiempo antes. [23] Si se considera el balance de energía en estas condiciones y el análisis de máquinas anteriores, se argumenta que debería usarse la definición original y, por lo tanto, ambas máquinas permanecen muy por debajo del punto de equilibrio de cualquier tipo. [12]
El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), líder en investigación de ICF, utiliza la Q modificada que define el calor P como la energía entregada por el controlador a la cápsula, a diferencia de la energía introducida en el controlador por una fuente de energía externa. Esta definición produce valores Q mucho más altos y cambia la definición de punto de equilibrio para que sea P fus / P láser = 1. En ocasiones, se refirieron a esta definición como "punto de equilibrio científico". [24] [25] 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. [26]
El 7 de octubre de 2013, 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). [27] [28] [29] 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 el calor P con solo la cantidad de energía entregada a "la porción más caliente del combustible", calculando que solo 10 kJ de la energía láser original alcanzaron la parte del combustible que estaba sufriendo reacciones de fusión. Este comunicado ha sido fuertemente criticado en el campo. [30] [31]
El 17 de agosto de 2021, el NIF anunció que, a principios de agosto de 2021, un experimento había alcanzado un valor Q de 0,7, produciendo 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 respecto a cualquier producción de energía anterior. [32]
El 13 de diciembre de 2022, el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunció que el NIF había superado el hito previamente difícil de alcanzar Q ≥ 1 el 5 de diciembre de 2022. Esto se logró produciendo 3,15 MJ después de entregar 2,05 MJ al objetivo, para un Q equivalente de 1,54. [33] [34]
