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Historia de la fusión nuclear

La historia de la fusión nuclear comenzó a principios del siglo XX como una investigación sobre cómo las estrellas se alimentaban a sí mismas y se expandió para incorporar una i...

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La historia de la fusión nuclear comenzó a principios del siglo XX como una investigación sobre cómo las estrellas se alimentaban a sí mismas y se expandió para incorporar una investigación más amplia sobre la naturaleza de la materia y la energía, a medida que las aplicaciones potenciales se expandieron para incluir la guerra, la producción de energía y la propulsión de cohetes.

Investigaciones tempranas

Varios autores también han propuesto formas de organizar todos los enfoques de fusión que se han probado en los últimos 70 años. Este diagrama de flujo agrupa los enfoques en familias codificadas por colores, que son: la familia Pinch (naranja), la familia Mirror (rojo), los sistemas Cusp (violeta), los tokamaks y los estelarizadores (verde), las estructuras de plasma (gris), el confinamiento electrostático inercial (amarillo oscuro), la fusión por confinamiento inercial (ICF, azul) y la fusión magnetoinercial por chorro de plasma (PJMIF, rosa oscuro).

En 1920, el físico británico Francis William Aston descubrió que la masa de cuatro átomos de hidrógeno es mayor que la masa de un átomo de helio ( He-4 ), lo que implicaba que se puede liberar energía combinando átomos de hidrógeno para formar helio. Esto proporcionó los primeros indicios de un mecanismo por el cual las estrellas podrían producir energía. A lo largo de la década de 1920, Arthur Stanley Eddington se convirtió en un importante defensor de la reacción en cadena protón-protón (reacción PP) como el sistema primario que hace funcionar el Sol . [1] [2] El efecto túnel cuántico fue descubierto por Friedrich Hund en 1929, y poco después Robert Atkinson y Fritz Houtermans utilizaron las masas medidas de elementos ligeros para demostrar que se podían liberar grandes cantidades de energía fusionando núcleos pequeños.

Henry Norris Russell observó que la relación en el diagrama de Hertzsprung-Russell sugería que el calor de una estrella provenía de un núcleo caliente en lugar de de la estrella entera. Eddington utilizó esto para calcular que la temperatura del núcleo tendría que ser de unos 40 millones de K. Esto se convirtió en un tema de debate, porque el valor es mucho más alto que las observaciones astronómicas que sugerían entre un tercio y la mitad de ese valor. George Gamow introdujo la base matemática para el efecto túnel cuántico en 1928. [3] En 1929, Atkinson y Houtermans proporcionaron las primeras estimaciones de la tasa de fusión estelar. Demostraron que la fusión puede ocurrir a energías más bajas de lo que se creía anteriormente, respaldando los cálculos de Eddington. [4]

Los experimentos nucleares comenzaron utilizando un acelerador de partículas construido por John Cockcroft y Ernest Walton en el Laboratorio Cavendish de Ernest Rutherford en la Universidad de Cambridge . En 1932, Walton produjo la primera fisión artificial al utilizar protones del acelerador para dividir el litio en partículas alfa . [5] El acelerador se utilizó luego para disparar deuterones a varios objetivos. Trabajando con Rutherford y otros, Mark Oliphant descubrió los núcleos de helio-3 ( heliones ) y tritio ( tritones ), el primer caso de fusión causada por el hombre. [6] [7] [8] [9] [10]

Los neutrones de fusión se detectaron por primera vez en 1933. [11] El experimento implicó la aceleración de protones hacia un objetivo [12] a energías de hasta 600.000 electronvoltios.

Una teoría verificada por Hans Bethe en 1939 demostró que la desintegración beta y el efecto túnel cuántico en el núcleo del Sol podrían convertir uno de los protones en un neutrón y, por lo tanto, producir deuterio en lugar de un diprotón . El deuterio se fusionaría luego a través de otras reacciones para aumentar aún más la producción de energía. Por este trabajo , Bethe ganó el Premio Nobel de Física en 1967. [1] [13] [14]

En 1938, Peter Thonemann desarrolló un plan detallado para un dispositivo de pinzamiento , pero le dijeron que hiciera otro trabajo para su tesis. [15]

La primera patente relacionada con un reactor de fusión fue registrada en 1946 [16] por la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido . Los inventores fueron Sir George Paget Thomson y Moses Blackman . Este fue el primer examen detallado del concepto Z-pinch . A partir de 1947, dos equipos del Reino Unido llevaron a cabo experimentos basados ​​en este concepto. [1]

Década de 1950

El primer dispositivo creado por el hombre que logró la ignición fue la detonación de este dispositivo de fusión, cuyo nombre en código era Ivy Mike .
Fotografía antigua de plasma dentro de una máquina de pinzamiento (Imperial College 1950/1951)

El primer dispositivo de fusión artificial exitoso fue la arma de fisión potenciada probada en 1951 en la prueba Greenhouse Item . La primera arma de fusión verdadera fue Ivy Mike de 1952 , y el primer ejemplo práctico fue Castle Bravo de 1954. En estos dispositivos, la energía liberada por una explosión de fisión comprime y calienta el combustible, iniciando una reacción de fusión. La fusión libera neutrones . Estos neutrones golpean el combustible de fisión circundante, haciendo que los átomos se dividan mucho más rápido que los procesos de fisión normales. Esto aumentó la efectividad de las bombas: las armas de fisión normales explotan antes de que se use todo su combustible; las armas de fusión/fisión no desperdician su combustible.

Estelarador

En 1949, el expatriado alemán Ronald Richter propuso el Proyecto Huemul en Argentina, y en 1951 anunció resultados positivos. Estos resultaron ser falsos, pero despertaron el interés de otros. Lyman Spitzer comenzó a considerar formas de resolver los problemas relacionados con el confinamiento de un plasma caliente y, sin saber de los esfuerzos de Z-pinch, creó el estelarizador. Spitzer solicitó a la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos fondos para construir un dispositivo de prueba.

Durante este período, James L. Tuck , que había trabajado con los equipos del Reino Unido en Z-pinch, había estado presentando el concepto de stellarator a sus compañeros de trabajo en LANL. Cuando se enteró de la propuesta de Spitzer, solicitó construir su propia máquina de pellizco, el Maybeatron . [1] [17]

La idea de Spitzer obtuvo financiación y comenzó a trabajar en el marco del Proyecto Matterhorn. Su trabajo condujo a la creación del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL). Tuck regresó al LANL y consiguió financiación local para construir su máquina. En ese momento, estaba claro que las máquinas de pinzado sufrían inestabilidad, lo que paralizaba el progreso. En 1953, Tuck y otros sugirieron soluciones que condujeron a una segunda serie de máquinas de pinzado, como los dispositivos ZETA y Sceptre . [1]

La primera máquina de Spitzer, 'A', funcionó, pero la siguiente, 'B', sufrió inestabilidades y fugas de plasma. [18] [19]

En 1954, el presidente de la AEC, Lewis Strauss, predijo que la electricidad sería " demasiado barata para medirla ". [20] Es probable que Strauss se estuviera refiriendo a la energía de fusión, [21] parte del Proyecto secreto Sherwood , pero su declaración fue interpretada como una referencia a la fisión. La AEC había emitido un testimonio más realista sobre la fisión ante el Congreso meses antes, proyectando que "los costos pueden reducirse... [a]... aproximadamente al mismo costo que el de la electricidad de fuentes convencionales..." [22]

Edward Teller

En 1951, Edward Teller y Stanislaw Ulam , del Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL), desarrollaron el diseño Teller-Ulam para un arma termonuclear , lo que permitió el desarrollo de bombas de fusión de varios megatones de potencia. Los trabajos de fusión en el Reino Unido fueron clasificados después del caso Klaus Fuchs .

A mediados de los años 50, las herramientas teóricas utilizadas para calcular el rendimiento de las máquinas de fusión no predecían su comportamiento real. Las máquinas invariablemente dejaban escapar plasma a tasas mucho mayores que las previstas. En 1954, Edward Teller reunió a investigadores de la fusión en el Princeton Gun Club. Señaló los problemas y sugirió que cualquier sistema que confinase el plasma dentro de campos cóncavos estaba condenado al fracaso debido a lo que se conocería como inestabilidad de intercambio . Los asistentes lo recuerdan diciendo en efecto que los campos eran como bandas de goma, y ​​que intentarían volver a una configuración recta cada vez que se aumentara la potencia, expulsando el plasma. Sugirió que la única forma de confinar el plasma de manera predecible sería utilizar campos convexos: una configuración de "cúspide". [23] :118

Cuando concluyó la reunión, la mayoría de los investigadores presentaron artículos que explicaban por qué las preocupaciones de Teller no se aplicaban a sus dispositivos. Las máquinas de pinza no utilizaban campos magnéticos de esta manera, mientras que las claques de espejo y estelarizador propusieron varias soluciones. A esto pronto le siguió el artículo de Martin David Kruskal y Martin Schwarzschild sobre las máquinas de pinza, que demostraba que las inestabilidades de esos dispositivos eran inherentes. [23] :118

ZETA

El dispositivo de fisión "clásico" más grande fue el ZETA , que comenzó a funcionar en el Reino Unido en 1957. Su nombre es una referencia a los pequeños reactores de fisión experimentales que a menudo tenían "energía cero" en su nombre, como ZEEP .

A principios de 1958, John Cockcroft anunció que se había logrado la fusión en el ZETA, un anuncio que fue noticia en todo el mundo. Descartó las preocupaciones de los físicos estadounidenses. Los experimentos estadounidenses pronto produjeron neutrones similares, aunque las mediciones de temperatura sugirieron que no podían ser de fusión. Más tarde se demostró que los neutrones del ZETA provenían de versiones diferentes de los procesos de inestabilidad que habían plagado las máquinas anteriores. Cockcroft se vio obligado a retractarse de sus afirmaciones sobre la fusión, lo que contaminó todo el campo durante años. El ZETA finalizó en 1968. [1]

Escila

El primer experimento para lograr la fusión termonuclear controlada se llevó a cabo utilizando Scylla I en LANL en 1958. [24] [25] [26] Scylla I era una máquina θ-pinch, con un cilindro lleno de deuterio. La corriente eléctrica se disparaba por los lados del cilindro. La corriente creaba campos magnéticos que pellizcaban el plasma, elevando las temperaturas a 15 millones de grados Celsius, durante el tiempo suficiente para que los átomos se fusionaran y produjeran neutrones. [27] [24] El programa Sherwood patrocinó una serie de máquinas Scylla en Los Álamos. El programa comenzó con 5 investigadores y $100,000 en financiación estadounidense en enero de 1952. [28] Para 1965, se había gastado un total de $21 millones. [29] El enfoque θ-pinch se abandonó después de que los cálculos demostraran que no podía ampliarse para producir un reactor.

Tokamak

En 1950-1951, en la Unión Soviética , Igor Tamm y Andrei Sakharov discutieron por primera vez un enfoque similar al tokamak . La investigación experimental sobre esos diseños comenzó en 1956 en el Instituto Kurchatov de Moscú por un grupo de científicos soviéticos dirigidos por Lev Artsimovich . El tokamak esencialmente combinaba un dispositivo de pinza de baja potencia con un estelarizador de baja potencia. La idea era combinar los campos de tal manera que las partículas orbitaran dentro del reactor un número particular de veces, hoy conocido como el " factor de seguridad ". La combinación de estos campos mejoró drásticamente los tiempos de confinamiento y las densidades, lo que resultó en enormes mejoras con respecto a los dispositivos existentes. [1]

Otro

Ivy Mike, la primera arma termonuclear , en 1952

En 1951, Estados Unidos completó la prueba de elemento de efecto invernadero de la primera arma de fisión potenciada . Se utilizó un gas deuterio-tritio para mejorar el rendimiento de la fisión. Esto se convirtió en el primer caso de fusión termonuclear artificial y la primera militarización de la fusión. En 1952, Ivy Mike, parte de la Operación Ivy , se convirtió en la primera detonación de una bomba de hidrógeno , produciendo 10,4 megatones de TNT utilizando deuterio líquido. Cousins ​​y Ware construyeron un dispositivo de pinza toroidal en Inglaterra y demostraron que el plasma en los dispositivos de pinza es inherentemente inestable. En 1953, la Unión Soviética probó su prueba RDS-6S (nombre en código " Joe 4 " en los EE. UU.) demostró un diseño de fisión/fusión/fisión ("Layercake") que produjo 600 kilotones. Igor Kurchatov habló en Harwell sobre dispositivos de pinza, [30] revelando que la URSS estaba trabajando en la fusión.

Japón , Francia y Suecia inician programas de investigación sobre fusión para generar electricidad

En 1955, John D. Lawson (científico) crea lo que ahora se conoce como el criterio de Lawson , que es un criterio para que un reactor de fusión produzca más energía de la que se pierde en el medio ambiente debido a problemas como la radiación de frenado .

En 1956, la Unión Soviética comenzó a publicar artículos sobre física del plasma, y ​​durante los años siguientes Estados Unidos y el Reino Unido siguieron sus pasos.

La columna de plasma Z-Pinch de Sceptre III se mantuvo estable durante 300 a 400 microsegundos, una mejora espectacular con respecto a los esfuerzos anteriores. El equipo calculó que el plasma tenía una resistividad eléctrica alrededor de 100 veces la del cobre y era capaz de transportar 200 kA de corriente durante 500 microsegundos.

Década de 1960

En 1960, John Nuckolls publicó el concepto de fusión por confinamiento inercial (ICF). El láser , introducido ese mismo año, resultó ser un "conductor" adecuado.

En 1961, la Unión Soviética probó su Bomba Zar de 50 megatones , el arma termonuclear más poderosa de la historia.

Spitzer publicó un texto clave sobre física del plasma en Princeton en 1963. [31] Tomó las leyes de los gases ideales y las adaptó a un plasma ionizado, desarrollando muchas de las ecuaciones fundamentales utilizadas para modelar un plasma.

La fusión láser fue propuesta en 1962 por científicos del LLNL. Al principio, los láseres tenían poca potencia. La investigación sobre fusión láser (fusión por confinamiento inercial) comenzó ya en 1965.

En la Feria Mundial de 1964 , se presentó al público la primera demostración de fusión. [32] El dispositivo era un Theta-pinch de General Electric. Era similar a la máquina Scylla desarrollada anteriormente en Los Álamos.

A mediados de los años 60, el progreso se había estancado en todo el mundo. Todos los diseños principales perdían plasma a un ritmo insostenible. El intento de fusión por confinamiento inercial con el "láser 4 pi" de 12 haces desarrollado en el LLNL apuntaba a una cámara llena de gas de unos 20 centímetros de diámetro.

El espejo magnético fue publicado por primera vez en 1967 por Richard F. Post y muchos otros en LLNL. [33] El espejo consistía en dos imanes grandes dispuestos de manera que tuvieran campos fuertes en su interior y un campo más débil, pero conectado, entre ellos. El plasma introducido en el área entre los dos imanes "rebotaría" desde los campos más fuertes en el medio.

El grupo de AD Sakharov construyó los primeros tokamaks. Los más exitosos fueron el T-3 y su versión más grande, el T-4. El T-4 fue probado en 1968 en Novosibirsk , produciendo la primera reacción de fusión cuasiestacionaria. [34] :90 Cuando esto se anunció, la comunidad internacional se mostró escéptica. Se invitó a un equipo británico a ver el T-3, y confirmó las afirmaciones soviéticas. Se produjo una explosión de actividad ya que muchos dispositivos planificados fueron abandonados y se introdujeron tokamaks en su lugar: el modelo C stellarator, entonces en construcción después de muchos rediseños, se convirtió rápidamente en el Tokamak Simétrico. [1]

En su trabajo con tubos de vacío, Philo Farnsworth observó que la carga eléctrica se acumulaba en el tubo. En 1962, Farnsworth patentó un diseño que utilizaba una jaula interior positiva para concentrar el plasma y fusionar protones. [35] Durante este tiempo, Robert L. Hirsch se unió a los laboratorios de Farnsworth Television y comenzó a trabajar en lo que se convirtió en el Fusor Farnsworth-Hirsch . Este efecto se conoció como el efecto Multipactor . [36] Hirsch patentó el diseño en 1966 [37] y lo publicó en 1967. [38]

En el LANL se alcanzaron temperaturas de plasma de aproximadamente 40 millones de grados Celsius y 109 reacciones de fusión deuterón-deuterón por descarga con Scylla IV. [39]

En 1968, los soviéticos anunciaron los resultados del tokamak T-3 , que indicaba que las temperaturas alcanzadas por el aparato eran un orden de magnitud superior a las de cualquier otro. Un equipo del Reino Unido, apodado "Los cinco de Culham", confirmó los resultados. Los resultados llevaron a muchos otros equipos, incluido el grupo de Princeton, que convirtió su estelarizador en un tokamak.

Década de 1970

La conversión del modelo C de Princeton a un tokamak produjo resultados que coincidieron con los soviéticos. Con una aparente solución al problema de la botella magnética en la mano, comienzan los planes para una máquina más grande para probar el escalado y los métodos para calentar el plasma.

En 1972, John Nuckolls esbozó la idea de la ignición por fusión , [40] una reacción en cadena de fusión. El helio caliente producido durante la fusión recalienta el combustible y da inicio a más reacciones. El artículo de Nuckolls inició un importante esfuerzo de desarrollo. LLNL construyó sistemas láser, incluidos Argus , Cyclops , Janus , el láser de vidrio dopado con neodimio (Nd:vidrio) Long Path , el láser Shiva y el Nova de 10 haces en 1984. Nova finalmente produciría 120 kilojulios de luz infrarroja durante un pulso de nanosegundos.

El Reino Unido construyó la Instalación Láser Central en 1976. [41]

Surgió el concepto de "tokamak avanzado", que incluía plasma no circular, desviadores y limitadores internos, imanes superconductores y funcionamiento en la denominada isla de "modo H" de mayor estabilidad. [42] Otros dos diseños se hicieron prominentes: el tokamak compacto, que ubicaba los imanes en el interior de la cámara de vacío, [43] [44] y el tokamak esférico con una sección transversal lo más pequeña posible. [45] [46]

En 1974, J. B. Taylor volvió a visitar ZETA y se dio cuenta de que, tras finalizar un experimento, el plasma entraba en un breve período de estabilidad. Esto dio lugar al concepto de pinzamiento de campo invertido . El 1 de mayo de 1974, la empresa de fusión KMS (fundada por Kip Siegel ) logró la primera fusión inducida por láser del mundo en un gránulo de deuterio-tritio. [47]

Los avances en los niveles de potencia y energía alcanzables mediante láseres de confinamiento inercial han aumentado drásticamente desde principios de la década de 1970.

El Gran Torus de Princeton (PLT), sucesor del Tokamak simétrico, superó a las mejores máquinas soviéticas y estableció récords de temperatura que superaban los necesarios para un reactor comercial. Poco después recibió financiación con el objetivo de alcanzar el punto de equilibrio.

A mediados de la década de 1970, el Proyecto PACER , llevado a cabo en el LANL, exploró la posibilidad de explotar pequeñas bombas de hidrógeno (bombas de fusión) dentro de una cavidad subterránea. [48] :25 Como fuente de energía, el sistema era el único que podía funcionar utilizando la tecnología de la época. Requería un suministro grande y continuo de bombas nucleares, sin embargo, con una economía cuestionable.

En 1976, el láser Argus de dos haces entró en funcionamiento en el LLNL. [49] En 1977, se completó el láser Shiva de 20 haces , capaz de entregar 10,2 kilojulios de energía infrarroja al objetivo. Con un precio de 25 millones de dólares y un tamaño cercano al de un campo de fútbol, ​​Shiva fue el primer megaláser. [49]

En un taller celebrado en 1977 en el Hotel Claremont de Berkeley, el Dr. C. Martin Stickley, entonces Director de la Oficina de Fusión Inercial de la Agencia de Investigación y Desarrollo Energético , afirmó que "no hay obstáculos" en el camino hacia la energía de fusión.

El DOE seleccionó un reactor de prueba de fusión Tokamak (TFTR) diseñado por Princeton y el desafío de funcionar con combustible de deuterio-tritio.

El láser Shiva de 20 haces del LLNL fue capaz de emitir 10,2 kilojulios de energía infrarroja sobre el objetivo. Con un coste de 25 millones de dólares y una capacidad de casi cubrir un campo de fútbol, ​​Shiva fue el primer "megalaser" del LLNL.

Década de 1980

Los espejos magnéticos sufrían pérdidas en los extremos, lo que requería diseños magnéticos complejos y de alta potencia, como la bobina de béisbol que se muestra aquí.

En el estudio alemán/estadounidense HIBALL, [50] Garching utilizó la alta tasa de repetición del controlador de RF para alimentar cuatro cámaras de reactor utilizando litio líquido dentro de la cavidad de la cámara. En 1982 se descubrió el modo de alto confinamiento (modo H) en los tokamaks.

Espejo magnético

Estados Unidos financió un programa de espejos magnéticos a finales de los años 1970 y principios de los años 1980. Este programa dio como resultado una serie de dispositivos de espejos magnéticos, entre ellos: 2X, [51] :273 Baseball I, Baseball II, el Experimento y actualización del espejo tándem , la Instalación de prueba de fusión de espejos y MFTF-B. Estas máquinas se construyeron y probaron en LLNL desde finales de los años 1960 hasta mediados de los años 1980. [52] [53] La máquina final, MFTF, costó 372 millones de dólares y fue, en ese momento, el proyecto más caro en la historia de LLNL. [54] Se inauguró el 21 de febrero de 1986 y se cerró de inmediato, supuestamente para equilibrar el presupuesto federal. [55]

Láser

Progreso en la fusión láser: en 1983 se completó el láser NOVETTE . En diciembre del año siguiente se terminó el láser NOVA de diez haces . Cinco años después, NOVA produjo 120 kilojulios de luz infrarroja durante un pulso de nanosegundos. [56]

La investigación se centró en la entrega rápida o en la uniformidad del haz. Ambas se centraron en aumentar la uniformidad de la energía. Uno de los primeros problemas fue que la luz en la longitud de onda infrarroja perdía energía antes de llegar al combustible. Se lograron avances en LLE en la Universidad de Rochester . Los científicos de Rochester utilizaron cristales que triplicaban la frecuencia para transformar los rayos láser infrarrojos en rayos ultravioleta.

Chirrido

En 1985, Donna Strickland [57] y Gérard Mourou inventaron un método para amplificar pulsos láser mediante "chirridos". Esto convertía una longitud de onda única en un espectro completo. El sistema amplificaba el haz en cada longitud de onda y luego lo invertía en un solo color. La amplificación por pulsos de chirrido se convirtió en un instrumento fundamental para el NIF y el sistema Omega EP. [58]

LANL construyó una serie de instalaciones láser. [59] Entre ellas se encontraban Gemini (un sistema de dos haces), Helios (ocho haces), Antares (24 haces) y Aurora (96 haces). [60] [61] El programa finalizó a principios de los años noventa con un coste del orden de mil millones de dólares. [59]

En 1987, Akira Hasegawa [62] observó que en un campo magnético dipolar, las fluctuaciones tendían a comprimir el plasma sin pérdida de energía. Este efecto se observó en los datos tomados por la Voyager 2 , cuando se encontró con Urano . Esta observación se convirtió en la base de un enfoque de fusión conocido como el dipolo levitado .

En cuanto a los tokamaks, el Tore Supra estuvo en construcción entre 1983 y 1988 en Cadarache , Francia. [63] Sus imanes superconductores le permitieron generar un fuerte campo magnético toroidal permanente. [64] El primer plasma llegó en 1988. [65]

En 1983, el JET logró el primer plasma. En 1985, el tokamak japonés JT-60 produjo sus primeros plasmas. En 1988, se completó el tokamak soviético T-15 , el primero en utilizar imanes superconductores (enfriados con helio). [66]

En 1998 se completó el tokamak soviético T-15 con bobinas superconductoras refrigeradas por helio.

Tokamak esférico

En 1984, Martin Peng propuso [67] una disposición alternativa de las bobinas magnéticas que reduciría en gran medida la relación de aspecto y evitaría los problemas de erosión del tokamak compacto: un tokamak esférico . En lugar de cablear cada bobina magnética por separado, propuso utilizar un solo conductor grande en el centro y cablear los imanes como medios anillos a partir de este conductor. Lo que alguna vez fue una serie de anillos individuales que pasaban por el orificio en el centro del reactor se redujo a un solo poste, lo que permitió relaciones de aspecto tan bajas como 1,2. [68] :B247 [69] :225 El concepto ST parecía representar un enorme avance en el diseño de tokamak. La propuesta llegó durante un período en el que los presupuestos de investigación de fusión de EE. UU. eran dramáticamente más pequeños. ORNL recibió fondos para desarrollar una columna central adecuada construida con una aleación de cobre de alta resistencia llamada "Glidcop". Sin embargo, no pudieron asegurar la financiación para construir una máquina de demostración.

Tras fracasar en el ORNL, Peng inició un esfuerzo mundial para interesar a otros equipos en el concepto y conseguir que se construyera una máquina de prueba. Un enfoque sería convertir un esferomak. [69] :225 La defensa de Peng atrajo el interés de Derek Robinson , de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido . Robinson reunió un equipo y consiguió alrededor de 100.000 libras para construir una máquina experimental, el Tokamak de relación de aspecto pequeño y ajustado , o START. Partes de la máquina se reciclaron de proyectos anteriores, mientras que otras se prestaron de otros laboratorios, incluido un inyector de haz neutro de 40 keV del ORNL. La construcción comenzó en 1990 y la operación comenzó en enero de 1991. [68] :11 Logró una beta récord (presión de plasma en comparación con la presión del campo magnético) del 40% utilizando un inyector de haz neutro.

ITER

Se forma la coalición del Reactor Termonuclear Experimental Internacional ( ITER ), en la que participan EURATOM , Japón, la Unión Soviética y Estados Unidos, y se inicia el proceso de diseño conceptual.

Década de 1990

Maqueta de un hohlraum bañado en oro diseñado para su uso en la Instalación Nacional de Ignición

En 1991, el Experimento Preliminar de Tritio del JET logró la primera liberación controlada de energía de fusión del mundo. [70]

En 1992, Physics Today publicó el esquema de Robert McCory sobre el estado actual del ICF, abogando por una instalación de ignición nacional. [71] Esto fue seguido por un artículo de revisión de John Lindl en 1995, [72] haciendo el mismo punto. Durante este tiempo se desarrollaron varios subsistemas del ICF, incluyendo la fabricación de objetivos, sistemas de manipulación criogénica, nuevos diseños de láser (notablemente el láser NIKE en NRL ) y diagnósticos mejorados incluyendo analizadores de tiempo de vuelo y dispersión de Thomson . Este trabajo se realizó en el sistema láser NOVA , General Atomics , Laser Mégajoule y el sistema GEKKO XII en Japón. A través de este trabajo y el cabildeo de grupos como los asociados de energía de fusión y John Sethian en NRL, el Congreso autorizó la financiación para el proyecto NIF a fines de los noventa.

En 1992, Estados Unidos y las antiguas repúblicas de la Unión Soviética dejaron de realizar pruebas de armas nucleares.

En 1993, el TFTR de PPPL experimentó con 50% de deuterio y 50% de tritio , alcanzando finalmente los 10 megavatios.

A principios de los años noventa, se publicó la teoría y el trabajo experimental sobre fusores y polipozos . [73] [74] En respuesta, Todd Rider en el MIT desarrolló modelos generales de estos dispositivos, [75] argumentando que todos los sistemas de plasma en equilibrio termodinámico estaban fundamentalmente limitados. En 1995, William Nevins publicó una crítica [76] argumentando que las partículas dentro de fusores y polipozos adquirirían momento angular , causando que el núcleo denso se degradara.

En 1995, la Universidad de Wisconsin-Madison construyó un gran fusor , conocido como HOMER. [77] El Dr. George H. Miley , de Illinois, construyó un pequeño fusor que producía neutrones utilizando deuterio [78] [79] y descubrió el " modo estrella " de funcionamiento del fusor. En esa época, en Europa, Daimler-Chrysler y NSD Fusion desarrollaron un dispositivo IEC como fuente comercial de neutrones . [80] [81]

El año siguiente, Tore Supra alcanzó una duración récord de plasma de dos minutos con una corriente de casi 1 M amperio impulsada de forma no inductiva por 2,3 MW de ondas de frecuencia híbrida más baja (es decir, 280 MJ de energía inyectada y extraída), habilitada por componentes de plasma enfriados activamente. [63] [82]

La máquina Z mejorada se abrió al público en agosto de 1998. [83] Los atributos clave eran su corriente de 18 millones de amperios y un tiempo de descarga de menos de 100 nanosegundos . [84] Esto generó un pulso magnético dentro de un gran tanque de petróleo, que golpeó un revestimiento (una matriz de cables de tungsteno ). [85] El disparo de la máquina Z se convirtió en una forma de probar condiciones de alta energía y alta temperatura (2 mil millones de grados). [86] En 1996.

En 1997, el JET alcanzó 16,1 MW (65 % de calor en plasma [87] ), manteniendo más de 10 MW durante más de 0,5 segundos. En 2020, este sigue siendo el nivel de producción récord. Se lograron cuatro megavatios de autocalentamiento de partículas alfa .

El ITER se anunció oficialmente como parte de un consorcio de siete partes (seis países y la UE). El ITER fue diseñado para producir diez veces más energía de fusión que la energía de entrada. El ITER estaba ubicado en Cadarache. [88] Estados Unidos se retiró del proyecto en 1999.

El JT-60 produjo un plasma de corte inverso con un factor de amplificación de fusión equivalente de 1,25; a fecha de 2021, este sigue siendo el récord mundial. Q mi q {\displaystyle Q_{eq}}

A finales de los años noventa, un equipo de la Universidad de Columbia y el MIT desarrolló el dipolo levitado , [89] un dispositivo de fusión que consistía en un electroimán superconductor que flotaba en una cámara de vacío con forma de platillo. [90] El plasma giraba alrededor de esta rosquilla y se fusionaba a lo largo del eje central. [91]

En 1999 MAST reemplazó a START .

Década de 2000

A partir de 1999, un número cada vez mayor de aficionados han podido fusionar átomos utilizando fusores caseros , que se muestran aquí. [92] [93] [94] [95]
El Tokamak esférico Mega Ampere comenzó a funcionar en el Reino Unido en 1999.

El "encendido rápido" [96] [97] apareció a finales de los noventa, como parte de un esfuerzo de LLE para construir el sistema Omega EP, que finalizó en 2008. El encendido rápido mostró ahorros de energía espectaculares e hizo que ICF entrara en la carrera por la producción de energía. La instalación experimental HiPER se dedicó al encendido rápido.

En 2001, Estados Unidos, China y la República de Corea se unieron al ITER, mientras que Canadá se retiró.

En abril de 2005, un equipo de la UCLA anunció [98] una forma de producir fusión utilizando una máquina que "cabe en un banco de laboratorio", utilizando tantalato de litio para generar suficiente voltaje para fusionar deuterio . El proceso no generó energía neta.

El año siguiente, se completó el reactor de prueba EAST de China . [99] Este fue el primer tokamak en utilizar imanes superconductores para generar campos tanto toroidales como poloidales.

A principios de la década de 2000, los investigadores del LANL afirmaron que un plasma oscilante podía alcanzar el equilibrio termodinámico local. Esto motivó los diseños de POPS y de trampas de Penning . [100] [101]

En 2005, NIF disparó su primer haz de ocho haces, logrando el pulso láser más potente hasta la fecha: 152,8 kJ (infrarrojo).

Los investigadores del MIT se interesaron en los fusores para la propulsión espacial, [102] utilizando fusores con múltiples jaulas internas. [103] Greg Piefer fundó Phoenix Nuclear Labs y desarrolló el fusor como una fuente de neutrones para la producción de isótopos médicos . [104] Robert Bussard comenzó a hablar abiertamente sobre el polywell en 2006. [105] [106]

En marzo de 2009, el NIF entró en funcionamiento. [107]

A principios de la década de 2000, las empresas de fusión con respaldo privado se lanzaron al desarrollo de energía de fusión comercial. [108] Tri Alpha Energy , fundada en 1998, comenzó explorando un enfoque de configuración de campo invertido . [109] [110] En 2002, la empresa canadiense General Fusion comenzó experimentos de prueba de concepto basados ​​en un enfoque híbrido magneto-inercial llamado Magnetized Target Fusion. [109] [108] Los inversores incluyeron a Jeff Bezos (General Fusion) y Paul Allen (Tri Alpha Energy). [109] Hacia el final de la década, Tokamak Energy comenzó a explorar dispositivos tokamak esféricos utilizando reconexión. [111]

Década de 2010

Los preamplificadores de la National Ignition Facility. En 2012, la NIF alcanzó los 500 teravatios.
El Wendelstein7X en construcción
Ejemplo de diseño de un estelarizador: un sistema de bobinas (azul) rodea el plasma (amarillo). Una línea de campo magnético está resaltada en verde sobre la superficie amarilla del plasma.
El Laboratorio de Investigación Naval demostró más de 90.000 disparos en 10 horas en 2013. [112]

La investigación pública y privada se aceleró en la década de 2010.

Proyectos privados

En 2017, General Fusion desarrolló su tecnología de inyector de plasma y Tri Alpha Energy construyó y operó su dispositivo C-2U. [113] En agosto de 2014, Phoenix Nuclear Labs anunció la venta de un generador de neutrones de alto rendimiento que podría sostener 5×10 11 reacciones de fusión de deuterio por segundo durante un período de 24 horas. [114]

En octubre de 2014, Skunk Works de Lockheed Martin anunció el desarrollo de un reactor de fusión de alta beta , el Compact Fusion Reactor . [115] [116] [117] Aunque el concepto original era construir una unidad del tamaño de un contenedor de 20 toneladas, el equipo admitió en 2018 que la escala mínima sería de 2000 toneladas. [118]

En enero de 2015, el polywell se presentó en Microsoft Research . [119] TAE Technologies anunció que su reactor Norman había logrado plasma. [120]

En 2017 entró en funcionamiento la máquina de plasma de quinta generación de Helion Energy , que busca alcanzar una densidad de plasma de 20 T y temperaturas de fusión. [118] ST40 generó el "primer plasma". [121]

En 2018, Eni anunció una inversión de 50 millones de dólares en Commonwealth Fusion Systems , para intentar comercializar la tecnología ARC utilizando un reactor de prueba ( SPARC ) en colaboración con el MIT. [122] [123] [124] [125] El reactor planeaba emplear tecnología de imán superconductor de alta temperatura de óxido de itrio, bario y cobre (YBCO). En 2021, Commonwealth Fusion Systems probó con éxito un imán de 20 T, lo que lo convirtió en el imán superconductor de alta temperatura más fuerte del mundo. Después del imán de 20 T, CFS recaudó 1.800 millones de dólares de inversores privados.

General Fusion comenzó a desarrollar un sistema de demostración a escala del 70 %. [69] En 2018, el reactor de TAE Technologies alcanzó casi 20 M°C. [126]

Proyectos gubernamentales y académicos

En 2010, los investigadores del NIF realizaron una serie de disparos de "ajuste" para determinar el diseño óptimo del objetivo y los parámetros del láser para experimentos de ignición de alta energía con combustible de fusión. [127] [128] La ganancia neta de energía del combustible [129] [130] se logró en septiembre de 2013. [131] [132]

En abril de 2014, LLNL finalizó el programa de energía de fusión inercial láser (LIFE) y dirigió sus esfuerzos hacia NIF. [133]

Un artículo de 2012 demostró que un foco de plasma denso había alcanzado temperaturas de 1.800 millones de grados Celsius, suficientes para la fusión del boro , y que las reacciones de fusión estaban ocurriendo principalmente dentro del plasmoide contenido, necesarias para la energía neta. [134]

En agosto de 2014, el MIT anunció un tokamak al que llamó reactor de fusión ARC , que utiliza cintas superconductoras de óxido de bario y cobre de tierras raras (REBCO) para construir bobinas de alto campo magnético que, según afirmaba, producían una intensidad de campo magnético comparable en una configuración más pequeña que otros diseños. [135]

En octubre de 2015, los investigadores del Instituto Max Planck de Física del Plasma completaron la construcción del estelarizador más grande hasta la fecha, el Wendelstein 7-X . En diciembre produjeron el primer plasma de helio y en febrero de 2016 produjeron plasma de hidrógeno. [136] En 2015, con descargas de plasma que duraban hasta 30 minutos, Wendelstein 7-X intentó demostrar el atributo esencial del estelarizador: el funcionamiento continuo de un plasma de alta temperatura. [137]

En 2014, EAST logró un tiempo de confinamiento récord de 30 segundos para plasma en el modo de alto confinamiento (modo H), gracias a una mejor dispersión del calor. Esto representó una mejora de un orden de magnitud en comparación con otros reactores. [138] En 2017, el reactor logró un plasma de alto confinamiento estable de estado estable de 101,2 segundos, lo que estableció un récord mundial en operación en modo H de pulso largo. [139]

En 2018, los científicos del MIT formularon un medio teórico para eliminar el exceso de calor de los reactores de fusión nuclear compactos a través de desviadores más grandes y más largos . [140]

En 2019, el Reino Unido anunció una inversión planificada de 200 millones de libras esterlinas (248 millones de dólares estadounidenses) para producir un diseño para una instalación de fusión denominada Tokamak esférico para la producción de energía (STEP), para principios de la década de 2040. [141] [142]

Década de 2020

Gráfico de resultados del NIF de 2012 a 2022
Gráfico de la ganancia objetivo en los experimentos de ICF en NIF de 2012 a 2022. Nótese el aumento de diez veces en agosto de 2021 y el logro de una ganancia objetivo de más de 1 en diciembre de 2022.

En diciembre de 2020, el reactor de fusión nuclear experimental chino HL-2M logró su primera descarga de plasma. [143] En mayo de 2021, Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) anunció un nuevo récord mundial de plasma sobrecalentado, manteniendo una temperatura de 120 M°C durante 101 segundos y un pico de 160 M°C durante 20 segundos. [144] En diciembre de 2021, EAST estableció un nuevo récord mundial de plasma de alta temperatura (70 M°C [145] ) de 1056 segundos. [146]

En 2020, Chevron Corporation anunció una inversión en la start-up Zap Energy , cofundada por el empresario e inversor británico Benj Conway, junto con los físicos Brian Nelson y Uri Shumlak de la Universidad de Washington . [147] En 2021, la empresa recaudó 27,5 millones de dólares en financiación de Serie B liderada por Addition. [148]

En 2021, el Departamento de Energía de EE. UU. lanzó el programa INFUSE, una iniciativa de intercambio de conocimientos público-privada que involucra una asociación entre PPPL, el Centro de Ciencia y Fusión del Plasma del MIT y Commonwealth Fusion Systems, [149] junto con asociaciones con TAE Technologies, Princeton Fusion Systems y Tokamak Energy. [150] En 2021, el Comité Asesor de Ciencias de la Energía de Fusión del DOE aprobó un plan estratégico para guiar la investigación en energía de fusión y física del plasma [151] [152] [153] que incluía una planta de energía en funcionamiento para 2040, similar a los esfuerzos canadienses, chinos y del Reino Unido. [154] [155]

En enero de 2021, SuperOx anunció la comercialización de un nuevo cable superconductor, con una capacidad de corriente de más de 700 A/mm2. [156] [157]

TAE Technologies anunció que su dispositivo Norman había mantenido una temperatura de aproximadamente 60 millones de grados C durante 30 milisegundos, 8 y 10 veces más alta, respectivamente, que los dispositivos anteriores de la compañía. Se afirmó que la duración estaba limitada por la fuente de alimentación, no por el dispositivo. [ cita requerida ]

En agosto de 2021, la Instalación Nacional de Ignición registró un récord de 1,3 megajulios de energía creada a partir de la fusión, lo que constituye el primer ejemplo de superación del criterio de Lawson en un laboratorio. [158]

En febrero de 2022, el JET mantuvo 11 MW y un valor Q de 0,33 durante más de 5 segundos, generando 59,7 megajulios, utilizando una mezcla de deuterio y tritio como combustible. [159] En marzo de 2022 se anunció que Tokamak Energy alcanzó una temperatura de plasma récord de 100 millones de kelvins , dentro de un tokamak compacto comercial. [160]

En octubre de 2022, el Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) alcanzó una duración de plasma récord de 45 segundos, [161] manteniendo el plasma de fusión de alta temperatura por encima de los 100 millones de grados Celsus basándose en el control RMP en tiempo real integrado para el modo H sin ELM, es decir, el modo de mejora regulada por iones rápidos (FIRE), [162] [163] algoritmo de aprendizaje automático y optimización de campo 3D a través de un RMP localizado en el borde.

En diciembre de 2022, el NIF logró el primer experimento de fusión controlada con equilibrio científico, con una ganancia de energía de 1,5. [164] [165]

En febrero de 2024, el tokamak KSTAR estableció un nuevo récord (disparo n.° 34705) por la duración más larga (102 segundos) de un plasma confinado magnéticamente. El plasma funcionó en modo H, con un control mucho mejor del campo de error de lo que era posible anteriormente. KSTAR también estableció un récord (disparo n.° 34445) por la duración más larga en estado estable a una temperatura de 100 millones de grados Celsius (48 segundos, modo ELM-LESS FIRE). [166] [167] [168]

Véase también

Referencias

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