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JT-60

JT-60 (abreviatura de Japan Torus-60 ) es un gran tokamak de investigación , el buque insignia de la dirección de energía de fusión del Instituto Nacional Japonés de Ciencia y T...

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JT-60 (abreviatura de Japan Torus-60 ) es un gran tokamak de investigación , el buque insignia de la dirección de energía de fusión del Instituto Nacional Japonés de Ciencia y Tecnología Cuántica . A partir de 2023, el dispositivo se conoce como JT-60SA y es el tokamak superconductor operativo más grande del mundo, [ 1 ] construido y operado conjuntamente por la Unión Europea y Japón en Naka , Prefectura de Ibaraki . [ 2 ] [ 3 ] SA significa tokamak superavanzado, que incluye una sección transversal de plasma en forma de D , bobinas superconductoras y control de retroalimentación activa.

JT-60 afirmó tener el récord [ a ] del valor más alto del producto triple de fusión alcanzado:1,77 × 10 28 K · s ·m −3  =1,53 × 10 21 keV ·s·m −3  . [ 4 ] [ 5 ] El producto citado no es un producto triple de fusión válido ya que los plasmas no satisficieron el estado estacionario del criterio de Lawson como se analiza a continuación.

JT-60 también afirmó, sin pruebas, que ostentaba el récord [ a ] de la temperatura iónica más alta jamás alcanzada (522 megakelvin). En realidad, la máquina TFTR de Princeton midió rutinariamente temperaturas iónicas más altas durante la campaña de 1993-1996, como se analiza más adelante. [ 6 ]

Diseño original

El reactor JT-60 se diseñó por primera vez en la década de 1970, durante un período de creciente interés por la fusión nuclear entre las principales potencias mundiales. En particular, Estados Unidos , el Reino Unido y Japón se vieron motivados por el excelente rendimiento del reactor soviético T-3 en 1968 para impulsar aún más este campo. El Instituto Japonés de Investigación de Energía Atómica (JAERI), dedicado anteriormente a la investigación de la fisión desde 1956, centró sus esfuerzos en la fusión.

El JT-60 comenzó a operar el 8 de abril de 1985, [ 7 ] y demostró un rendimiento muy por debajo de las predicciones, al igual que el TFTR y el JET que habían comenzado a operar poco antes.

Durante las dos décadas siguientes, TFTR, JET y JT-60 lideraron el esfuerzo por recuperar el rendimiento que se esperaba originalmente de estas máquinas. JT-60 sufrió una modificación importante durante este tiempo, JT-60U (de "actualización") en marzo de 1991. [ 8 ] El cambio resultó en mejoras significativas en el rendimiento del plasma.

Registros en disputa de JT-60/TFTR

Para 1996, JT-60 había alcanzado su temperatura iónica récord de 45 keV, [ 6 ] que se afirma que superó las temperaturas más altas medidas en ese momento en el tokamak TFTR en Princeton. Mediciones detalladas de las temperaturas iónicas analizadas durante la campaña experimental de TFTR con plasmas de deuterio-tritio en 1993-1996, encontraron numerosas descargas con temperaturas mayores a 50 keV tanto en plasmas de deuterio puro como de deuterio-tritio. [ 9 ] Una publicación de 2025 de un reanálisis de los resultados de transporte y confinamiento de TFTR para un escaneo seleccionado de descargas menciona que varios "superdisparos", no incluidos en el escaneo, tuvieron temperaturas iónicas de 70 keV con una barra de error de medición del 28%. [ 9 ]

El equipo TFTR no destacó estas altas temperaturas por varias razones. Las mediciones de temperatura iónica en JT-60, TFTR y JET midieron solo iones de impurezas de carbono traza ionizados una sola vez, no las temperaturas de los iones hidrogenoides. Los iones de carbono no se fusionan y desplazan a los iones de deuterio y tritio que sí pueden fusionarse. Las temperaturas de los iones hidrogenoides se pueden calcular en el código de análisis TRANSP . Los métodos utilizados están publicados y se utilizan ampliamente en el análisis de resultados experimentales. [ 10 ] Estas temperaturas son las relevantes para calcular las reacciones de fusión de deuterio y tritio. Generalmente son menores que las temperaturas del carbono. En segundo lugar, el objetivo final de esta investigación, la energía de fusión práctica mínimamente contaminante, no requiere temperaturas iónicas mayores a unos 25 keV. Un ejemplo de simulación de un plasma en combustión en ITER es [ 11 ]

La métrica del triple producto de fusión se aplica únicamente a plasmas en estado estacionario, como se indica explícitamente en el criterio de Lawson . Los plasmas del JT-60 con valores altos estaban lejos del estado estacionario; de hecho, sus condiciones aumentaron rápidamente con el tiempo hasta alcanzar esos valores, y luego sufrieron grandes perturbaciones que los extinguieron abruptamente. Ejemplos se encuentran en [ 12 ] [ 13 ] . Además, la derivación del triple producto de fusión asume que la potencia de fusión resulta de la fusión termonuclear (a partir de deuterio y tritio térmicos). En cambio, la alta potencia de fusión en experimentos anteriores de tokamak resultó predominantemente de reacciones térmicas de haz.

Por lo tanto, el récord que el JT-60 afirma tener para el triple producto no es un "triple producto de fusión". Se han logrado descargas en estado estacionario en otros dispositivos, como Tore Supra, y WEST ha anunciado resultados para el triple producto de fusión. [ 14 ]

JT-60U (Actualización)

El objetivo principal de la modernización del JT-60U fue "investigar el confinamiento de energía cerca del punto de equilibrio, [un] impulso de corriente no inductivo y la física del plasma de combustión con plasmas de deuterio ". Para lograr esto, se reemplazaron las bobinas de campo poloidal y la cámara de vacío. La construcción comenzó en noviembre de 1989 y se completó en marzo de 1991. [ 15 ] Las operaciones comenzaron en julio. [ 16 ]

Los investigadores del JT-60U afirmaron que el 31 de octubre de 1996 lograron un factor de equilibrio estimado de Q DT eq = 1,05 en2,8  MA . [ 17 ] En otras palabras, si el combustible de deuterio homogéneo se reemplazara teóricamente con una mezcla 1:1 de deuterio y tritio , se estima que la reacción de fusión habría creado una salida de energía 1,05 veces la energía inyectada en el tokamak. Una estimación basada en una descarga en 1968 dio Q DT eq = 1,25. [ 18 ] El récord de la relación central Q core alcanzado en una descarga de tokamak es 1,3 en JET en 1998. [ 19 ]

Una estimación creíble de la extrapolación de un plasma de deuterio a un plasma de deuterio-tritio requiere comenzar con un modelo informático integrado validado y verificado, y luego volver a ejecutarlo con una mezcla de deuterio-tritio para calcular el rendimiento de fusión. También es necesario mostrar detalles del plasma de deuterio para que sea creíble. Un ejemplo de dicha estimación se publicó antes de que TFTR comenzara su campaña de deuterio-tritio en 1993-1996. [ 20 ] Este artículo calculó que el Q DT eq sería 0,32. En retrospectiva, el récord alcanzado fue 0,28 (descarga 80539), por lo que la proyección fue optimista. Se inyectó una cantidad mucho mayor de energía en las cámaras de prueba de TFTR y JT-60U. JT-60U no estaba equipado para utilizar tritio, ya que añadiría costes y riesgos de seguridad considerables. [ b ]

En febrero de 1997, se inició una modificación del divertor , pasando de una forma abierta a una forma semicerrada en W para un mayor control de partículas e impurezas, la cual se completó en mayo. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] Se realizaron rápidamente experimentos que simulaban el escape de helio en ITER con el divertor modificado, con gran éxito. En 1998, la modificación permitió que JT-60U alcanzara un factor de ganancia de energía de fusión estimado de Q DT eq = 1,25 a2,6  MA , [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] como se mencionó anteriormente.

En diciembre de 1998, se completó una modificación del sistema de bombeo de vacío que había comenzado en 1994. En concreto, se sustituyeron doce bombas turbomoleculares con cojinetes de aceite y cuatro bombas de vacío rotativas selladas con aceite por bombas turbomoleculares de suspensión magnética y bombas de vacío secas. Esta modificación redujo en dos tercios el consumo de nitrógeno líquido del sistema, que tenía 15 años de antigüedad . [ 27 ]

En el año fiscal 2003, la duración de la descarga de plasma del JT-60U se extendió con éxito desde15  segundos a65  s . [ 28 ]

En 2005, se instalaron baldosas de acero ferrítico (ferromagnético) en la cámara de vacío para corregir la estructura del campo magnético y, por lo tanto, reducir la pérdida de iones rápidos. [ 29 ] [ 30 ] La JAEA utilizó piezas nuevas en el JT-60, habiendo mejorado su capacidad para mantener el plasma en su potente campo magnético toroidal.

En algún momento entre 2007 y 2008, con el fin de controlar la presión del plasma en la región del pedestal y evaluar el efecto del combustible en la estructura de autoorganización del plasma, se instaló un sistema de inyección de haces moleculares supersónicos (SMBI) en JT-60U. El diseño del sistema fue una colaboración entre Cadarache , CEA y JAEA. [ 31 ] Q DT eq JT-60U finalizó sus operaciones el 29 de agosto de 2008. [ 32 ]

JT-60SA

El JT-60SA estaba en construcción en 2016.

JT-60SA es el sucesor de JT-60U y opera como satélite de ITER , tal como se describe en el Acuerdo de Enfoque Amplio . Es un tokamak totalmente superconductor con componentes flexibles que se pueden ajustar para encontrar configuraciones de plasma optimizadas y abordar cuestiones físicas clave. [ 33 ] El ensamblaje comenzó en enero de 2013 y se completó en marzo de 2020. Tras un importante cortocircuito durante la puesta en marcha integrada en marzo de 2021, que requirió reparaciones prolongadas, se declaró activo el 1 de diciembre de 2023. El coste total de su construcción se estima en unos 560 000 000 € , ajustado por inflación. [ 34 ]

Con un peso aproximado de 2600 toneladas cortas (2400 t) , [ 35 ] el sistema de imanes superconductores del JT-60SA incluye 18 bobinas de campo toroidales de niobio-titanio en forma de D, un solenoide central de niobio-estaño y 12 bobinas de campo de equilibrio. 

Historia

La idea de un tokamak avanzado, un tokamak que utilizara bobinas superconductoras, se remonta a principios de la década de 1960. La idea parecía muy prometedora, pero no estaba exenta de problemas. Alrededor de enero de 1972, los ingenieros de JAERI iniciaron un esfuerzo para investigar más a fondo la idea y tratar de resolver sus obstáculos. [ 36 ] Esta iniciativa progresó en paralelo con el desarrollo del JT-60, [ 37 ] y para 1983-84 se decidió que constituiría su propio reactor experimental: FER (Fusion Experimental Reactor). [ 38 ]

Sin embargo, la actualización JT-60U en 1991 demostró la importante flexibilidad de las instalaciones y el sitio de ensamblaje del JT-60, por lo que en enero de 1993 el FER fue designado como una modificación del JT-60U y renombrado JT-60SU (por Super Upgrade). [ 39 ]

En enero de 1996, se publicó un artículo que detallaba las propiedades superconductoras del alambre compuesto de Nb₃Al y su proceso de fabricación en la revista de la 16.ª Conferencia Internacional de Ingeniería Criogénica/Materiales. [ 40 ] Los ingenieros evaluaron el uso potencial del aluminuro en las 18 bobinas toroidales del JT-60SU. [ 41 ]

Los diseños e intenciones para la modificación variaron durante la década siguiente, hasta febrero de 2007, cuando se firmó el Acuerdo de Enfoque Amplio entre Japón y la Comunidad Europea de Energía Atómica . [ 42 ] En él, el Programa de Tokamak Satélite estableció un objetivo claro y definido para el JT-60SA: funcionar como un ITER a pequeña escala. De esta manera, el JT-60SA podría proporcionar información valiosa a los ingenieros que ensamblaran y operaran el reactor a gran escala en el futuro.

Se planeó que el JT-60 se desmontara y luego se actualizara al JT-60SA mediante la adición de bobinas superconductoras de niobio-titanio para 2010. [ 4 ] [ 43 ] Se pretendía que el JT-60SA pudiera funcionar con el mismo plasma de forma que el ITER. [ 43 ] : 3.1.3 El solenoide central se diseñó para usar niobio-estaño (debido al campo más alto (9 T)). [ 43 ] : 3.3.1

Asamblea

La construcción del tokamak comenzó oficialmente el 28 de enero de 2013 con el ensamblaje de la base del criostato, que fue enviada desde Avilés, España, en un viaje de 75 días. [ c ] El evento tuvo una gran difusión a través de noticias locales y nacionales, y reporteros de 10 medios de comunicación pudieron presenciarlo en persona. [ 44 ]

El ensamblaje de la cámara de vacío comenzó en mayo de 2014. La cámara se fabricó en diez sectores con arcos variables (20°×1, 30°×2, 40°×7) que debían instalarse secuencialmente. El 4 de junio de 2014 se instalaron dos de los diez sectores. En noviembre de 2014 se habían instalado siete sectores. En enero de 2015 se habían instalado nueve sectores.

La construcción debía continuar hasta 2020, con el primer plasma previsto para septiembre de 2020. [ 45 ] El ensamblaje se completó el 30 de marzo de 2020, [ 46 ] y en marzo de 2021 alcanzó con éxito su campo toroidal de diseño completo, con una corriente de 25,7  kA. [ 47 ]

Cortocircuito

El 9 de marzo de 2021, se estaba realizando una prueba de energización de la bobina en la bobina de campo de equilibrio n.° 1 (EF1) cuando la corriente de la bobina aumentó rápidamente y luego se estabilizó repentinamente . El reactor se apagó de forma segura durante los siguientes minutos, durante los cuales la presión en el criostato aumentó de10 × 10 −3 Pa  a7000  Pa . Las investigaciones se iniciaron inmediatamente después.

Se determinó que el incidente, conocido como el "incidente del alimentador EF1", fue causado por un cortocircuito importante debido a un aislamiento insuficiente en la salida del conductor del cable de detección de extinción . El arco eléctrico resultante dañó las carcasas del EF1, provocando una fuga de helio hacia el criostato.

En total, se requirieron reparaciones en 90 ubicaciones y se necesitó recablear los sensores de la máquina. Sin embargo, el complejo JT-60SA fue diseñado y ensamblado con extrema precisión, lo que significó que el acceso a la máquina a veces fue limitado. El riesgo de mayores retrasos en las operaciones de plasma agravó el problema. [ 48 ]

El equipo del JT-60SA se mostró decepcionado por el incidente, dado lo cerca que estaba la máquina de entrar en funcionamiento, pero perseveró.

Las reparaciones se completaron en mayo de 2023 y comenzaron los preparativos para la puesta en marcha. [ 49 ]

Operaciones actuales

El JT-60SA logró su primer plasma el 23 de octubre de 2023, convirtiéndose así en el tokamak superconductor operativo más grande del mundo a partir de 2026. [ 1 ] El reactor fue declarado activo el 1 de diciembre de 2023. [ 50 ]

Presupuesto

(60 significa JT-60, 60U significa JT-60U, 60SA significa JT-60SA) ("60SA I" se refiere a la fase de investigación inicial/integrada de JT-60SA, "60SA II" se refiere a la fase de investigación extendida)

Notas

  1. 1 2 Disputado; véase más abajo
  2. ↑ El equipo JT-60 envió datos de más de diez de sus mejores descargas al Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton (PPPL) para su análisis con su código TRANSP , con el fin de analizar y extrapolar los resultados a una mezcla hipotética de combustible de deuterio y tritio. Los resultados se encuentran archivados en el PPPL. Los datos enviados no fueron suficientes para un modelado fiable, ya que carecían de información sobre el perfil de las impurezas, que diluirían el deuterio y el tritio.El modelado TRANSP sobreestimó la tasa de fusión medida por un amplio margen. Además, el conjunto de datos no incluía un número suficiente de pasos de tiempo necesarios para la precisión.
  3. ↑ El buque IYO ( número IMO : 9300879 ) navegó a través del Canal de Panamá 

Referencias

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  • Sitio web oficial del JT-60SA (JT-60/JT-60U)
  • Sitio web oficial de QST
  • Sitio web oficial de JAEA (JAERI)
  • Sistema de búsqueda de artículos originales de JAEA
  • Sitio web oficial de Fusion for Energy
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