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 de la 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 la reacción. Para superar la repulsión electrostática entre los núcleos, el combustible debe tener una temperatura de cientos de millones de grados, a la cual el combustible está completamente ionizado y se convierte en plasma . Además, el plasma debe tener una densidad suficiente y la energía debe permanecer en la región de reacción durante un tiempo suficiente, como especifica el criterio de Lawson (producto triple). La alta temperatura de un plasma de fusión impide el uso de recipientes de material 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.
Tokamaks y stellarators son los dos principales candidatos a dispositivos MCF en la actualidad. La investigación sobre el uso de diversas configuraciones magnéticas para confinar el plasma de fusión comenzó en la década de 1950. Las primeras máquinas toroidales y de espejos simples mostraron resultados decepcionantes de bajo confinamiento. Después de la desclasificación de la investigación de la fusión por parte de los Estados Unidos , el Reino Unido y la Unión Soviética en 1958, el Instituto Kurchatov informó de un gran 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 la construcción y operación de grandes tokamaks como JET , TFTR y JT-60 . El experimento ITER tokamak en construcción, cuyo objetivo es demostrar el equilibrio científico , será el dispositivo MCF más grande del mundo. Si bien los primeros estelaradores de bajo confinamiento en la década de 1950 se vieron eclipsados por el éxito inicial de los tokamaks, resurgieron intereses en los estelaradores atribuidos a su capacidad inherente para un funcionamiento en estado estable y sin interrupciones distinta de los tokamaks. El experimento stellarator más grande del mundo, Wendelstein 7-X , comenzó a funcionar en 2015.
El récord actual de energía de fusión generada por dispositivos MCF lo ostenta JET . En 1997, JET estableció el récord de 16 megavatios de potencia de fusión transitoria con un factor de ganancia de Q = 0,62 y 4 megavatios de potencia de fusión en estado estable con Q = 0,18 durante 4 segundos. [3] En 2021, JET mantuvo Q = 0,33 durante 5 segundos y produjo 59 megajulios de energía, superando el récord de 21,7 megajulios liberados en 1997 en aproximadamente 4 segundos. [4]
Uno de los desafíos de la investigación de MCF es el desarrollo y extrapolación de escenarios de plasma a las condiciones de las centrales eléctricas, donde se debe mantener un buen rendimiento de fusión y un confinamiento energético. Se están estudiando activamente posibles soluciones a otros problemas, como el escape de energía del desviador , la mitigación de transitorios (interrupciones, electrones desbocados , modos localizados en los bordes ), el manejo del flujo de neutrones , la reproducción de tritio y la física de la combustión de plasmas . El desarrollo de nuevas tecnologías en diagnóstico de plasma , control en tiempo real , materiales de revestimiento de 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 energía de fusión fue el espejo magnético . La mayoría de los primeros dispositivos de espejo intentaban 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 ingresar a una pequeña área anular cerca de cada imán. Se sabía que los núcleos escaparían por esta zona, pero se consideró que esto podría superarse añadiendo y calentando combustible continuamente.
En 1954, Edward Teller dio una charla en la que esbozó un problema teórico que sugería que el plasma también escaparía rápidamente hacia los lados a través de los campos de confinamiento. Esto ocurriría en cualquier máquina con campos magnéticos convexos, que existieran en el centro del área del espejo. Las máquinas existentes tenían otros problemas y no estaba claro si esto estaba ocurriendo. En 1961, un equipo soviético demostró de manera concluyente que esta inestabilidad de la flauta estaba ocurriendo, y cuando un equipo estadounidense afirmó que no estaban viendo este problema, los soviéticos examinaron su experimento y notaron que se debía a un simple error de instrumentación.
El equipo soviético también presentó una posible solución, en forma de "barras de Ioffe". Estos doblaron 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. Luego, un equipo del Reino Unido introdujo una disposición más simple de estos imanes que llamaron "pelota de tenis", que en los EE. UU. fue adoptada como "béisbol". Se probaron varias máquinas de series 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. Al colocar una bobina de béisbol en cada extremo de un solenoide grande, todo el conjunto podría contener un volumen mucho mayor de plasma y, por tanto, producir más energía. Comenzaron los planes para construir un dispositivo grande con este diseño de "espejo tándem", que se convirtió en el Mirror Fusion Test Facility (MFTF). Como nunca antes había probado este diseño, se construyó una máquina más pequeña, el Tandem Mirror Experiment (TMX), para probar este diseño. TMX demostró una nueva serie de problemas que sugerían que MFTF no alcanzaría sus objetivos de desempeño y, durante la construcción, MFTF se modificó a MFTF-B. Sin embargo, debido a recortes presupuestarios, un día después de que se completara la construcción del MFTF, éste quedó suspendido. Los espejos han experimentado poco desarrollo desde entonces.
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El primer esfuerzo real para construir un reactor de fusión de control utilizó el efecto pellizco en un contenedor toroidal. Se utilizó un gran transformador que envolvía el contenedor para inducir una corriente en el plasma del interior. Esta corriente crea un campo magnético que comprime el plasma en un anillo delgado, "pellizcándolo". La combinación del calentamiento Joule por la corriente y el calentamiento adiabático a medida que pellizca eleva la temperatura del plasma al rango requerido en decenas de millones de grados Kelvin.
Construidas por primera vez en el Reino Unido en 1948, y seguidas por una serie de máquinas cada vez más grandes y potentes en el Reino Unido y Estados Unidos, todas las primeras máquinas demostraron estar sujetas a poderosas inestabilidades en el plasma. Entre ellos destacaba la inestabilidad por torsión , que hacía que el anillo comprimido se agitara y golpeara las paredes del contenedor mucho antes de que alcanzara la temperatura requerida. Sin embargo, el concepto era tan simple que se realizaron esfuerzos hercúleos para abordar estas cuestiones.
Esto llevó al concepto de "pellizco estabilizado", que agregaba imanes externos para "darle al plasma una columna vertebral" mientras se comprime. La máquina más grande de este tipo fue el reactor ZETA del Reino Unido , terminado 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 observados fueron creados por nuevas inestabilidades en la masa de plasma. Estudios posteriores demostraron que cualquier diseño de este tipo estaría plagado de problemas similares, y la investigación que utilizaba el enfoque de z-pinch terminó en gran medida.
Uno de los primeros intentos 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 rectas "cruzadas" para formar una figura de 8. . Esto tiene el efecto de propagar los núcleos desde el interior hacia el exterior a medida que orbita el dispositivo, cancelando así la deriva a través del eje, al menos si los núcleos orbitan lo suficientemente rápido.
No mucho 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 agregando un segundo conjunto de imanes enrollados helicoidalmente a cada lado. Esta disposición generó un campo que se extendía sólo parcialmente hacia el plasma, lo que demostró tener la importante ventaja de agregar "cizallamiento", que suprimió la turbulencia en el plasma. Sin embargo, a medida que se construyeron dispositivos más grandes con este modelo, se vio que el plasma se escapaba del sistema mucho más rápido de lo esperado, mucho más rápido de lo que podía ser reemplazado.
A mediados de la década de 1960 parecía que el enfoque del stellarator era un callejón sin salida. Además de los problemas de pérdida de combustible, también se calculó que una máquina productora de energía basada en este sistema sería enorme, aproximadamente mil pies de largo. Cuando se introdujo el tokamak en 1968, el interés por el stellarator desapareció y el último diseño de la Universidad de Princeton , el Modelo C, finalmente se convirtió en el Tokamak simétrico.
Los estelaradores han visto un renovado interés desde el cambio de milenio, ya que evitan varios problemas que se encontraron posteriormente en el tokamak. Se han construido modelos más nuevos, pero están aproximadamente dos generaciones por detrás de los últimos diseños de tokamak.
A finales de la década de 1950, investigadores soviéticos notaron que la inestabilidad del retorcimiento sería fuertemente suprimida si los giros en el camino fueran lo suficientemente fuertes como para que una partícula viajara alrededor de la circunferencia del interior de la cámara más rápidamente que a lo largo de la longitud de la cámara. Esto requeriría reducir la corriente de pellizco y hacer que los imanes estabilizadores externos sean mucho más fuertes.
En 1968, la investigación rusa sobre el tokamak toroidal se presentó en público por primera vez, con resultados que superaron con creces los esfuerzos existentes de cualquier diseño competidor, 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, periódicamente se impulsa una corriente a través del propio plasma, creando un campo "alrededor" del toroide que se combina con el campo toroidal para producir un campo sinuoso en algunos aspectos similar al de un estelarador 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 expresamente . Se trataba esencialmente de un esferoma con una varilla central insertada. START produjo resultados impresionantes, con valores β de aproximadamente el 40%, tres veces los producidos por los tokamaks estándar de la época. 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) actualmente en marcha. Los tokamaks esféricos tienen propiedades de estabilidad mejoradas en comparación con los tokamaks convencionales y, como tal, el área está recibiendo considerable atención experimental. Sin embargo, hasta la fecha los tokamaks esféricos han tenido un campo toroidal bajo y, como tales, no son prácticos para los dispositivos de neutrones de fusión.
Los toroides compactos, por ejemplo el spheromak y la configuración de campo invertido , intentan combinar el buen confinamiento de las configuraciones de superficies magnéticas cerradas con la simplicidad de las máquinas sin un núcleo central. Uno de los primeros experimentos de este tipo [ dudoso ] en la década de 1970 fue Trisops . (Trisops disparó dos anillos theta-pellizco uno hacia el otro.)
Algunas configuraciones más novedosas producidas en máquinas toroidales son el pellizco de campo invertido y el experimento del dipolo levitado .
La Marina de los EE. UU. también reclamó un "Dispositivo de fusión por compresión de plasma" capaz de alcanzar niveles de potencia 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 potencia de entrada en el rango de kilovatios a megavatios". [5]
Sin embargo, desde entonces la patente ha sido abandonada.
Todos estos dispositivos han enfrentado problemas considerables en su ampliación y en su aproximación al criterio de Lawson . Un investigador describió el problema del confinamiento magnético en términos simples, comparándolo con apretar un globo: el aire siempre intentará "salir" por algún otro lugar. La turbulencia en el plasma ha demostrado ser un problema importante, ya que hace que el plasma escape del área de confinamiento y potencialmente toque las paredes del contenedor. Si esto sucede, se produce un proceso conocido como " sputtering ", en el que las partículas de gran masa del recipiente (a menudo acero y otros metales) se mezclan con el combustible de fusión, reduciendo su temperatura.
En 1997, los científicos de las instalaciones del 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. Existe un creciente optimismo de que la presión del plasma por encima de la cual el plasma se desmonta ahora puede ser lo suficientemente grande como para mantener una velocidad de reacción de fusión aceptable para una planta de energía. [6] Se pueden inyectar y dirigir ondas electromagnéticas 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 tales 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 especial énfasis en el tokamak .
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SPARC es un tokamak que utiliza combustible deuterio-tritio (DT), que actualmente se está diseñando en el Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT en colaboración con Commonwealth Fusion Systems con el objetivo de producir un diseño de reactor práctico en un futuro próximo. A finales 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 pueden alcanzar bajo presiones variables del campo magnético. [9]
El progreso realizado con SPARC se basa en el trabajo mencionado anteriormente en el proyecto ITER y tiene como objetivo utilizar nueva tecnología en superconductores de alta temperatura (HTS) como un material más práctico. HTS permitirá que los imanes de los reactores produzcan un mayor campo magnético y aumenten proporcionalmente los procesos de transporte necesarios para generar energía. Una de las consideraciones materiales más importantes es garantizar que la pared interior pueda soportar las intensas cantidades de calor que se generarán (se espera que se acerque a los 10 GW por metro cuadrado en flujo de calor del plasma). Este material no sólo necesita sobrevivir, sino que también debe resistir daños suficientes para evitar contaminar el plasma central. Desafíos como este se están considerando y teniendo en cuenta activamente en los modelos y cálculos predictivos utilizados en el proceso de diseño. [10]
Se han logrado avances para abordar el desafío de la integración núcleo-borde en futuros reactores de fusión en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D . Para que el plasma de fusión arda, es crucial mantener un núcleo de plasma más caliente que la superficie del Sol sin dañar las paredes del reactor. Inyectar impurezas más pesadas que las partículas de plasma en la región de plasma y escape de energía (el Desviador ) es crucial para enfriar el límite del plasma sin afectar el rendimiento de la fusión. Los experimentos convencionales utilizaban 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 entre el núcleo y el borde en futuras plantas de energía de fusión. [13] [14] Experimentos recientes también han logrado avances en la predicción de interrupciones, el control de ELM y la migración de materiales. El programa está instalando herramientas adicionales para optimizar el funcionamiento del tokamak y explorar las interacciones de los materiales y el plasma de borde. Se están considerando mejoras importantes para mejorar el rendimiento y la flexibilidad de los futuros reactores de fusión. [15] [16] [17]
El estelarador Wendelstein 7-X en el Instituto Max Planck de Física del Plasma en Alemania terminó sus primeras campañas de plasma y se sometió a mejoras, incluida la instalación de más de 8.000 paneles de grafito y diez módulos desviadores para proteger las paredes del recipiente y permitir descargas de plasma más largas. [18] [19] [20] Los experimentos probarán el concepto optimizado de Wendelstein 7-X como dispositivo de fusión estelarador para uso potencial en una planta de energía. El desviador de isla juega un papel crucial en la regulación de la pureza y densidad del plasma. Wendelstein 7-X permite investigar 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 densidad de plasma. Estos avances tienen como objetivo demostrar la idoneidad de los estelaradores para la generación continua de energía de fusión. [21] [22] [23] [24]
TAE Technologies logró en 2022 un importante hito en la investigación 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 la fusión de hidrógeno y boro por parte de TAE 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 potencial para usarse en energía de fusión a escala de servicios públicos. TAE Technologies se centra en desarrollar 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 operativa en 2028, pretende generar 50 megavatios o más de energía. La empresa planea utilizar helio-3 , un gas poco común, como fuente de combustible. [28]
Kronos Fusion Energy ha anunciado el desarrollo de un generador de energía de fusión aneutrónica para obtener 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 en siete estados para avanzar en el diseño y la investigación de plantas de energía de fusión, con el objetivo de establecer a los Estados Unidos como líder en energía de fusión limpia. La financiación del Programa de Desarrollo de Fusión basado en Milestone respalda el objetivo de demostrar la fusión a escala piloto en diez años y lograr una economía neta cero para 2050. Los beneficiarios de la subvención abordarán obstáculos científicos y tecnológicos para crear diseños viables de plantas piloto de fusión en el próximos 5 a 10 años. Los premiados incluyen 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:
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