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fusión de objetivos magnetizados

La fusión por blanco magnetizado ( MTF , por sus siglas en inglés) es un concepto de energía de fusión que combina características de la fusión por confinamiento magnético (MCF,...

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La fusión por blanco magnetizado ( MTF , por sus siglas en inglés) es un concepto de energía de fusión que combina características de la fusión por confinamiento magnético (MCF, por sus siglas en inglés) y la fusión por confinamiento inercial (ICF, por sus siglas en inglés).

Al igual que en el método magnético, el combustible de fusión se confina a menor densidad mediante campos magnéticos mientras se calienta hasta convertirse en plasma . Como en el método inercial, la fusión se inicia comprimiendo rápidamente el blanco para aumentar considerablemente la densidad y la temperatura del combustible. Si bien la densidad resultante es mucho menor que en la fusión por confinamiento inercial (FCI), se cree que la combinación de tiempos de confinamiento más prolongados y una mejor retención del calor permitirá que el MTF funcione, a la vez que facilitará su construcción.

El término fusión magnetoinercial (MIF, por sus siglas en inglés) es similar, pero abarca una mayor variedad de configuraciones. Ambos términos se suelen usar indistintamente en experimentos.

Conceptos de fusión

En la fusión, los átomos más ligeros se fusionan para formar átomos más pesados. Los combustibles más fáciles para lograr esto son los isótopos de hidrógeno . [ 1 ] Generalmente, estas reacciones tienen lugar dentro de un plasma. Un plasma es un gas calentado, donde todos los electrones han sido arrancados; el gas ha sido completamente ionizado . Los iones tienen carga positiva, por lo que se repelen entre sí debido a la fuerza electrostática . La fusión ocurre cuando dos iones chocan a alta energía, lo que permite que la fuerza fuerte supere la repulsión electrostática a corta distancia. La cantidad de energía que se necesita aplicar para forzar la unión de los núcleos se denomina barrera de Coulomb o energía de barrera de fusión . Para que la fusión ocurra en un plasma masivo, este debe calentarse a decenas de millones de grados y comprimirse a altas presiones durante un tiempo suficiente. En conjunto, esto se denomina producto triple (véase el criterio de Lawson ). [ 2 ] La investigación en fusión se centra en alcanzar el mayor producto triple posible.

La fusión magnética funciona para calentar un plasma diluido ( 10¹⁴ iones por cm³ ) a altas temperaturas, alrededor de20  keV (~200 millones de °C). El aire ambiente es aproximadamente 100 000 veces más denso. Para construir un reactor práctico a estas temperaturas, el combustible debe permanecer confinado durante largos periodos de tiempo, del orden de 1 segundo. El diseño del tokamak ITER se está construyendo actualmente para probar el método magnético con pulsos de hasta 20 minutos de duración.

La fusión inercial intenta producir densidades mucho más altas,10²⁵ iones  por centímetro cúbico , aproximadamente 100 veces la densidad del plomo . Esto provoca que las reacciones se produzcan con extrema rapidez (~1 nanosegundo). No se requiere confinamiento; si bien el calor y las partículas generadas por las reacciones harán que el plasma explote hacia afuera, la velocidad a la que esto ocurre es menor que la de las reacciones de fusión.

A partir de 2018Ambos métodos de fusión nuclear se están acercando a niveles de energía neta (Q>1) después de muchas décadas de investigación, pero aún están lejos de convertirse en dispositivos prácticos para la producción de energía.

Acercarse

Mientras que MCF e ICF abordan el problema del criterio de Lawson desde diferentes direcciones, MTF intenta trabajar entre ambos. MTF apunta a una densidad de plasma de10 19  cm −3 , intermedio entre MCF (10 14  cm −3 ) e ICF (10 25  cm −3 ) [ 3 ] A esta densidad, los tiempos de confinamiento deben ser del orden de 1 μs, nuevamente intermedios entre los otros dos. MTF utiliza campos magnéticos para ralentizar las pérdidas de plasma, y ​​la compresión inercial se utiliza para calentar el plasma. [ 3 ]

En términos generales, la MTF es un método inercial. La densidad aumenta mediante una operación pulsada que comprime el combustible, calentando el plasma, al igual que la compresión calienta un gas ordinario. En la fusión por confinamiento inercial (ICF) tradicional, se añade más energía mediante láseres que comprimen el blanco, pero esa energía se disipa por múltiples vías. La MTF emplea un campo magnético que se crea antes de la compresión, el cual confina y aísla el combustible, reduciendo así la pérdida de energía. El resultado, en comparación con la ICF, es una masa de combustible relativamente densa y caliente que experimenta fusión a una velocidad de reacción media, por lo que solo necesita estar confinada durante un tiempo medio.

A medida que se comprime la pastilla de combustible, el calor y la presión en el plasma aumentan. La velocidad de colapso es generalmente lineal, pero la presión depende del volumen, que aumenta con el cubo de la compresión. En cierto punto, la presión es suficiente para detener y luego revertir el colapso. La masa del revestimiento metálico que rodea el combustible implica que este proceso tarda cierto tiempo en producirse. El concepto MTF se basa en que este tiempo de permanencia sea lo suficientemente largo para que se produzcan los procesos de fusión. [ 4 ]

La MTF presenta ventajas sobre la fusión por confinamiento inercial (ICF) y la fusión por plasma de baja densidad. Su aporte energético es relativamente eficiente y económico, mientras que la ICF requiere láseres especializados de alto rendimiento que actualmente ofrecen baja eficiencia. El coste y la complejidad de estos láseres, denominados "impulsores", son tan elevados que los métodos tradicionales de ICF siguen siendo poco prácticos para la producción comercial de energía. Asimismo, si bien la MTF requiere confinamiento magnético para estabilizar y aislar el combustible durante su compresión, el tiempo de confinamiento necesario es miles de veces menor que el de la MCF. En experimentos de MCF se demostraron hace años tiempos de confinamiento del orden de magnitud necesarios para la MTF.

Las densidades, temperaturas y tiempos de confinamiento necesarios para MTF están dentro del estado actual de la técnica y se han demostrado repetidamente. [ 5 ] El Laboratorio Nacional de Los Alamos se ha referido al concepto como una "vía de bajo costo hacia la fusión".

Dispositivos

FRX-L

En el experimento pionero FRX-L del Laboratorio Nacional de Los Alamos , [ 6 ] primero se crea un plasma a baja densidad mediante el acoplamiento por transformador de una corriente eléctrica a través de un gas dentro de un tubo de cuarzo (generalmente un gas no combustible para fines de prueba). Esto calienta el plasma a aproximadamente200  eV (~2,3 millones de grados). Imanes externos confinan el combustible dentro del tubo. Los plasmas son conductores eléctricos, lo que permite el paso de una corriente. Esta corriente genera un campo magnético que interactúa con ella. El plasma se dispone de forma que los campos y la corriente se estabilicen en su interior una vez establecido, logrando así su autoconfinamiento. FRX-L utiliza la configuración de campo invertido para este fin. Dado que la temperatura y el tiempo de confinamiento son 100 veces menores que en MCF, el confinamiento es relativamente fácil de lograr y no requiere los complejos y costosos imanes superconductores empleados en la mayoría de los experimentos MCF modernos.

FRX-L se utiliza exclusivamente para la creación, prueba y diagnóstico de plasma. [ 3 ] Utiliza cuatro de alto voltaje (hastabancos de condensadores de 100  kV que almacenan hasta 1 MJ de energía para alimentar unCorriente de 1,5  MA en bobinas de campo magnético de una vuelta que rodean un Tubo de cuarzo de 10 cm de diámetro. [ 6 ] En su forma actual como generador de plasma, FRX-L ha demostrado densidades entre(2 y 4) × 10 16  cm −3 , temperaturas de100 a 250  eV , campos magnéticos de2,5  T y tiempos de vida de10 a 15  μs . [ 7 ] Todos estos están dentro de un orden de magnitud de lo que se necesitaría para una máquina de energía positiva.

Posteriormente, el FRX-L se actualizó para añadir un sistema de "inyección". [ 8 ] Este sistema se sitúa alrededor del tubo de cuarzo y consiste en una disposición cónica de bobinas magnéticas. Al recibir energía, las bobinas generan un campo que es fuerte en un extremo del tubo y más débil en el otro, empujando el plasma hacia afuera por el extremo más grande. Para completar el sistema, se planeó colocar el inyector sobre el foco del "triturador de latas" Shiva Star existente en el Laboratorio de Energía Dirigida del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea en la Base de la Fuerza Aérea Kirtland en Albuquerque, Nuevo México . [ 6 ]

FRCHX

En 2007, se instaló un experimento llamado FRCHX en Shiva Star. [ 9 ] Similar a FRX-L, utiliza un área de generación e inyecta el haz de plasma en el área de compresión del revestimiento de Shiva Star. Shiva Star suministra aproximadamente 1,5 MJ a la energía cinética del  revestimiento de aluminio de 1 mm de espesor, que colapsa cilíndricamente a aproximadamente5  km/s . Esto colapsa el haz de plasma a una densidad de alrededor de5 × 10 18  cm −3 y eleva la temperatura a aproximadamente5  keV , produciendo rendimientos de neutrones del orden de10¹² neutrones "por disparo" utilizando combustible DD. [ 9 ] La potencia liberada en los disparos más grandes, del orden de MJ, requiere un período de reinicio del equipo del orden de una semana. El enorme pulso electromagnético (EMP) causado por el equipo crea un entorno difícil para el diagnóstico.

Planta de demostración de fusión

General Fusion de Canadá, en colaboración con la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido , construirá una planta de demostración en Culham , Inglaterra, como paso previo a una planta piloto comercialmente viable. El reactor será un cilindro de metal líquido de alta velocidad ( plomo , con litio incorporado para aprovechar el tritio formado mediante activación neutrónica ) que se transforma en una esfera por la acción de pistones sincronizados impulsados ​​por vapor. El combustible de fusión magnetizado, en forma de plasma, se inyecta en la esfera a medida que se contrae, generando la temperatura y presión suficientes para que tenga lugar la reacción de fusión. El metal líquido circula a través de intercambiadores de calor para proporcionar vapor. Se prevé que la construcción comience en 2022 y que las operaciones se inicien en 2025. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

En diciembre de 2024, General Fusion completó la construcción de su reactor de prueba MTF Lawson Machine 26 (LM26) en Richmond, Columbia Británica . [ 13 ]

Desafíos

La MTF no es el primer enfoque novedoso para la energía de fusión. Cuando se introdujo la ICF en la década de 1960, representó un enfoque radicalmente nuevo que buscaba producir dispositivos de fusión prácticos para la década de 1980. Otros enfoques se han topado con problemas inesperados que aumentaron considerablemente la dificultad de generar potencia de salida. Con la MCF, se presentaron inestabilidades inesperadas en los plasmas al aumentar la densidad o la temperatura. Con la ICF, se produjeron pérdidas inesperadas de energía y dificultades para "suavizar" los haces. Estos problemas se han abordado parcialmente en las grandes máquinas modernas, pero solo a un costo muy elevado.

En términos generales, los desafíos de la MTF parecen ser similares a los de la ICF. Para generar energía de manera efectiva, la densidad debe incrementarse hasta un nivel de funcionamiento y mantenerse allí el tiempo suficiente para que la mayor parte de la masa de combustible se fusione. Esto ocurre mientras el revestimiento metálico se introduce en el interior. La mezcla del metal con el combustible de fusión "extinguiría" la reacción (un problema que se presenta en los sistemas MCF cuando el plasma toca la pared del recipiente). De manera similar, el colapso debe ser bastante simétrico para evitar "puntos calientes" que podrían desestabilizar el plasma durante la combustión.

Los problemas en el desarrollo comercial son similares a los de cualquier diseño de reactor de fusión existente. La necesidad de generar campos magnéticos de alta intensidad en el foco de la máquina entra en conflicto con la necesidad de extraer el calor del interior, lo que dificulta la disposición física del reactor. Además, el proceso de fusión emite una gran cantidad de neutrones (al menos en las reacciones comunes) que provocan fragilización neutrónica , lo que reduce la resistencia de las estructuras de soporte y la conductividad del cableado metálico. En los esquemas típicos de MCF, se pretende capturar los neutrones en una capa de litio para generar más tritio que se utilice como combustible, lo que complica aún más la disposición general. La fusión deuterio-deuterio evitaría este requisito.

Problema de Kopeck

Otra preocupación para el concepto MTF se denomina el problema del kopek . El kopek es la unidad monetaria rusa similar al centavo , con 100 kopeks en un rublo . El nombre alude a un valor monetario muy pequeño. [ 14 ]

El problema radica en que los revestimientos metálicos utilizados en el MTF básico se consumen durante la reacción. A cambio, el dispositivo generaría electricidad. Sin embargo, el valor de esa electricidad es muy bajo, del orden de unos pocos centavos. Por lo tanto, para generar un flujo de caja neto positivo, el dispositivo debe generar enormes cantidades de energía por disparo, cantidades irrealmente altas, o bien el costo de los conjuntos de combustible debe ser mínimo, alrededor de un kopek. [ 15 ]

Se han identificado dos posibles soluciones al problema del kopek. El uso de la "ignición por punto caliente" (también explorada en la ICF tradicional) parece permitir un gran aumento en la liberación de energía en comparación con la energía de entrada, abordando así el problema desde el lado de la ganancia. La otra solución es intentar reciclar algunos de los componentes o, en el caso de los sistemas de pared fluida, no perder material en primer lugar. [ 15 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Libro de Azenti sobre la CIF, 2004, capítulo 1
  2. ↑ "Producto triple" . EFDA. 2014-06-20. Archivado del original el 2014-09-11 . Consultado el 2014-08-24 .
  3. 1 2 3 Experimentos de fusión con blancos magnetizados en LANL
  4. ↑ Dahlin, Jon-Erik (junio de 2001). "Potencial del reactor para la fusión de blancos magnetizados" (PDF) .{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  5. ↑ JH Degnan, J.; et al. (1999). "Compresión de plasma a rango de megabares usando un revestimiento implosionante". Physical Review Letters . 82 (13): 2681. Bibcode : 1999PhRvL..82.2681D . doi : 10.1103/PhysRevLett.82.2681 . 
  6. 1 2 3 FRX-L: Un inyector de plasma para fusión de blancos magnetizados
  7. ↑ "Un blanco de configuración de campo invertido (FRC) de alta densidad para fusión de blancos magnetizados" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 16 de enero de 2009. Recuperado el 25 de agosto de 2009 .
  8. ↑ Aplicaciones de predicciones para la traslación de FRC
  9. 1 2 Experimentos HEDLP de fusión con blanco magnetizado FRCHX (Conferencia de Energía de Fusión del OIEA 2008)
  10. ↑ "General Fusion construirá su planta de demostración de fusión en el Reino Unido, en el campus Culham de UKAEA" (Comunicado de prensa). 16 de junio de 2021. Consultado el 17 de junio de 2021 .
  11. ↑ "Nuestra tecnología: ¿Cómo funciona la fusión por objetivo magnetizado?" . General Fusion . Consultado el 17 de junio de 2021 .
  12. ↑ "5 grandes ideas para hacer realidad la energía de fusión" . IEEE Spectrum: Noticias sobre tecnología, ingeniería y ciencia . IEEE . 28 de enero de 2020. Consultado el 26 de junio de 2021 .
  13. ↑ "Construyendo el futuro de la energía: Ensamblaje del LM26 completado" . General Fusion . 18 de diciembre de 2024. Consultado el 8 de abril de 2025 .
  14. ↑ Seimon, R. "Fusión de objetivo magnetizado" . UCSD . Archivado del original el 20 de septiembre de 2019. Consultado el 5 de junio de 2018 .
  15. 1 2 Seimon .

Lecturas adicionales

  • RE Siemon, IR Lindemuth y KF Schoenberg, Por qué MTF es una vía de bajo costo para la fusión, Comments Plasma Physics Controlled Fusion vol 18 issue 6, pp.  363–386 (1999).
  • PV Subhash et al. 2008 Phys. Scr. 77 035501 (12 págs.) doi : 10.1088/0031-8949/77/03/035501 Efecto de la no uniformidad del revestimiento en las inestabilidades del plasma en un sistema de fusión de blanco magnetizado de pinzamiento Z inverso: simulaciones de revestimiento sobre plasma y comparación con el análisis de estabilidad lineal