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reactor de fusión ARC

El reactor de fusión ARC (asequible, robusto y compacto) es un diseño para un reactor de fusión compacto de 400 MW [ 1 ] desarrollado por el Centro de Ciencia de Plasma y Fusi...

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El reactor de fusión ARC (asequible, robusto y compacto) es un diseño para un reactor de fusión  compacto de 400 MW [ 1 ] desarrollado por el Centro de Ciencia de Plasma y Fusión (PSFC) del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) . ARC busca alcanzar un punto de equilibrio de ingeniería de tres (producir tres veces la electricidad necesaria para operar la máquina). La innovación técnica clave es el uso de imanes superconductores de alta temperatura en lugar de los imanes superconductores de baja temperatura del ITER . El dispositivo propuesto tendría aproximadamente la mitad del diámetro del reactor ITER y sería más económico de construir. [ 2 ]

El ARC tiene una configuración de tokamak avanzado convencional . El ARC utiliza imanes superconductores de alta temperatura de óxido de cobre y bario de tierras raras (REBCO) en lugar de cableado de cobre o superconductores convencionales de baja temperatura . Estos imanes pueden funcionar con intensidades de campo mucho mayores, 23 T , lo que prácticamente duplica el campo magnético en el eje del plasma. El tiempo de confinamiento de una partícula en el plasma varía con el cuadrado del tamaño lineal, y la densidad de potencia varía con la cuarta potencia del campo magnético, [ 3 ] por lo que duplicar el campo magnético ofrece el rendimiento de una máquina 4 veces más grande. El tamaño más pequeño reduce los costos de construcción, aunque esto se compensa en cierta medida con el costo de los imanes REBCO. 

El uso de REBCO podría permitir que los devanados de los imanes sean flexibles cuando la máquina no esté en funcionamiento. Esto permitiría abrirlos para acceder al interior de la máquina, lo que reduciría considerablemente los costos de mantenimiento, eliminando la necesidad de realizar tareas de mantenimiento a través de pequeños orificios de acceso con manipuladores remotos. De concretarse, esto podría mejorar el factor de capacidad del reactor , un indicador importante en los costos de generación de energía.

La primera máquina prevista del proyecto es un demostrador a escala reducida llamado SPARC (as Soon as Possible ARC). Será construida por Commonwealth Fusion Systems , con el respaldo de Eni , Breakthrough Energy Ventures , Khosla Ventures , Temasek y Equinor . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

Historia

El proyecto se anunció en 2014. [ 3 ] [ 8 ] El nombre y el diseño se inspiraron en el reactor de arco ficticio construido por Tony Stark , quien asistió al MIT en los cómics.

El concepto nació como "un proyecto emprendido por un grupo de estudiantes del MIT en un curso de diseño de fusión". El diseño ARC tenía como objetivo mostrar las capacidades de la nueva tecnología de imanes mediante el desarrollo de un punto de diseño para una planta que produjera tanta energía de fusión como ITER en el tamaño más pequeño posible. El resultado fue una máquina de aproximadamente la mitad de la dimensión lineal de ITER, que funcionaba a 9 teslas y producía más de 500 megavatios (MW) de energía de fusión. Los estudiantes también analizaron tecnologías que permitirían que dicho dispositivo operara en estado estacionario y produjera más de 200  MW de electricidad." [ 9 ]

Características de diseño

El diseño del ARC incorpora importantes diferencias con respecto a los tokamaks tradicionales , al tiempo que conserva el combustible convencional D-T ( deuterio - tritio ).

Campo magnético

Para lograr un aumento de casi diez veces en la densidad de potencia de fusión, el diseño utiliza cinta superconductora REBCO para sus bobinas de campo toroidal . [ 3 ] Este material permite una mayor intensidad de campo magnético para contener el plasma calentado en un volumen menor. En teoría, la densidad de potencia de fusión es proporcional a la cuarta potencia de la intensidad del campo magnético. [ 2 ] El material candidato más probable es el óxido de itrio, bario y cobre , con una temperatura de diseño de20  K , lo que permite el uso de varios refrigerantes (por ejemplo, hidrógeno líquido , neón líquido o helio gaseoso) en lugar de la refrigeración con helio líquido, mucho más compleja , elegida por ITER. [ 3 ] El folleto oficial de SPARC muestra una sección de cable YBCO que está disponible comercialmente y que debería permitir campos de hasta 30 T. [ 10 ]

ARC está diseñado para ser un reactor tokamak de 270 MWe con un radio principal de3,3  m , un radio menor de1,1  m y un campo magnético en el eje de9.2 T  . [ 3 ]

El punto de diseño tiene un factor de ganancia de energía de fusión Q p ≈ 13,6 (el plasma produce 13 veces más energía de fusión de la que se requiere para calentarlo), pero es totalmente no inductivo, con una fracción de arranque de ~63%. [ 3 ]

El diseño es posible gracias al campo máximo de ~23  T en la bobina. La alimentación de corriente externa es proporcionada por dos lanzadores de RF internos que utilizan25  MW de energía híbrida inferior y13,6  MW de potencia de onda rápida de ciclotrón de iones . La corriente resultante genera un plasma central en estado estacionario lejos de los límites disruptivos. [ 3 ]

recipiente de vacío extraíble

El diseño incluye un recipiente de vacío extraíble (el componente sólido que separa el plasma y el vacío circundante de la capa líquida). No requiere desmontar todo el dispositivo. Esto lo hace idóneo para evaluar cambios de diseño. [ 2 ]

Manta líquida

La mayoría de los materiales de la manta sólida que rodean la cámara de fusión en los diseños convencionales se reemplazan por una sal fundida de litio-berilio fluorado (FLiBe) que se puede circular/reemplazar fácilmente, lo que reduce los costos de mantenimiento. [ 2 ]

El manto líquido proporciona moderación y blindaje de neutrones, eliminación de calor y una relación de reproducción de tritio ≥ 1,1. El amplio rango de temperatura en el que FLiBe es líquido permite el funcionamiento del manto a900  K con refrigeración por fluido monofásico y un ciclo Brayton . [ 3 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Commonwealth Fusion Systems. "Llevaremos energía de fusión limpia a la red eléctrica desde nuestro campus en el condado de Chesterfield, Virginia" .
  2. 1 2 3 4 "Los avances en la tecnología de imanes podrían convertir los reactores de fusión modulares y más baratos de la ciencia ficción a la realidad científica en menos de una década" . 11 de agosto de 2015. Consultado el 12 de agosto de 2015 .
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 Sorbom, BN; Ball, J.; Palmer, TR; Mangiarotti, FJ; Sierchio, JM; Bonoli, P.; Kasten, C.; Sutherland, DA; Barnard, HS (2014-09-10). "ARC: Una instalación científica nuclear de fusión compacta y de alto campo y una planta de energía de demostración con imanes desmontables". Fusion Engineering and Design . 100 : 378– 405. arXiv : 1409.3540 . Bibcode : 2015FusED.100..378S . doi : 10.1016/j.fusengdes.2015.07.008 . S2CID 1258716 . 
  4. ↑ Devlin, Hannah (9 de marzo de 2018). "La fusión nuclear está a punto de hacerse realidad, dicen científicos del MIT" . The Guardian . Consultado el 16 de abril de 2018 .
  5. ↑ Rathi, Akshat (26 de septiembre de 2018). "En busca de energía limpia, las inversiones en empresas emergentes de fusión nuclear se están intensificando" . Quartz . Consultado el 8 de septiembre de 2020 .
  6. ↑ Sistemas, Commonwealth Fusion. "Commonwealth Fusion Systems recauda 115 millones de dólares y cierra una ronda de financiación Serie A para comercializar la energía de fusión" . www.prnewswire.com (Comunicado de prensa) . Consultado el 8 de septiembre de 2020 .
  7. ↑ Sistemas, Commonwealth Fusion. "Commonwealth Fusion Systems recauda 84 millones de dólares en la ronda A2" . www.prnewswire.com (Comunicado de prensa) . Consultado el 8 de septiembre de 2020 .
  8. ↑ Sorbom, BN; Ball, J.; Palmer, TR; Mangiarotti, FJ; Sierchio, JM; Bonoli, P.; Kasten, C.; Sutherland, DA; Barnard, HS; Haakonsen, CB; Goh, J.; Sung, C.; Whyte, DG (2015). "ARC: Una instalación científica nuclear de fusión compacta y de alto campo y una planta de energía de demostración con imanes desmontables". Fusion Engineering and Design . 100 : 378– 405. arXiv : 1409.3540 . Bibcode : 2015FusED.100..378S . doi : 10.1016/j.fusengdes.2015.07.008 . S2CID 1258716 . 
  9. ↑ Folleto oficial del proyecto SPARC. Archivado el 20 de junio de 2019 en Wayback Machine , pág. 19.
  10. ↑ Folleto oficial del proyecto SPARC. Archivado el 20 de junio de 2019 en Wayback Machine , pág. 25.
  • Markiewicz, WD; Larbalestier, DC; Weijers, HW; Voran, AJ; Pickard, KW; Sheppard, WR; Jaroszynski, J.; Xu, Aixia; Walsh, RP (2012-06-01). "Diseño de un imán superconductor de 32 T con bobinas de alto campo REBCO". IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 22 (3): 4300704. Bibcode : 2012ITAS...2243007M . doi : 10.1109/TASC.2011.2174952 . ISSN 1051-8223 . S2CID 23718762 .  
  • Larbalestier, David (15 de marzo de 2010). "Oportunidades transformadoras de YBCO/REBCO para la tecnología de imanes" (PDF) . Superpower Inc. Recuperado el 12 de agosto de 2015 .