Por David Donovan – 04 de abril de 2022 (The conversation)
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Los científicos de un laboratorio en Inglaterra rompieron el récord de la cantidad de energía producida durante una reacción de fusión sostenida y controlada. La producción de 59 megajulios de energía durante cinco segundos en el experimento Joint European Torus, o JET, en Inglaterra ha sido calificada como “un gran avance” por algunos medios de comunicación y ha causado gran entusiasmo entre los físicos. Pero una línea común con respecto a la producción de electricidad de fusión es que “ siempre está a 20 años de distancia ”.
Somos un físico nuclear y un ingeniero nuclear que estudiamos cómo desarrollar la fusión nuclear controlada con el fin de generar electricidad.
El resultado de JET demuestra avances notables en la comprensión de la física de la fusión. Pero igual de importante, muestra que los nuevos materiales utilizados para construir las paredes internas del reactor de fusión funcionaron según lo previsto. El hecho de que la construcción del nuevo muro haya funcionado tan bien es lo que separa estos resultados de hitos anteriores y eleva la fusión magnética de un sueño a una realidad.
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Fusión de partículas juntas
La fusión nuclear es la fusión de dos núcleos atómicos en un núcleo compuesto. Este núcleo luego se rompe y libera energía en forma de nuevos átomos y partículas que se alejan rápidamente de la reacción. Una planta de energía de fusión capturaría las partículas que escapan y usaría su energía para generar electricidad.
Hay algunas formas diferentes de controlar con seguridad la fusión en la Tierra . Nuestra investigación se centra en el enfoque adoptado por JET: utilizar potentes campos magnéticos para confinar átomos hasta que se calientan a una temperatura lo suficientemente alta como para que se fusionen.
El combustible para los reactores actuales y futuros son dos isótopos diferentes de hidrógeno, lo que significa que tienen un protón, pero diferentes números de neutrones, llamados deuterio y tritio . El hidrógeno normal tiene un protón y ningún neutrón en su núcleo. El deuterio tiene un protón y un neutrón, mientras que el tritio tiene un protón y dos neutrones.
Para que una reacción de fusión tenga éxito, los átomos de combustible primero deben calentarse tanto que los electrones se liberen de los núcleos. Esto crea plasma, una colección de iones y electrones positivos. Luego debe seguir calentando ese plasma hasta que alcance una temperatura de más de 200 millones de grados Fahrenheit (100 millones de Celsius). Luego, este plasma debe mantenerse en un espacio confinado a altas densidades durante un período de tiempo lo suficientemente largo para que los átomos de combustible choquen entre sí y se fusionen .
Para controlar la fusión en la Tierra, los investigadores desarrollaron dispositivos con forma de rosquilla, llamados tokamaks , que usan campos magnéticos para contener el plasma. Las líneas de campo magnético que envuelven el interior de la rosquilla actúan como las vías del tren que siguen los iones y los electrones . Al inyectar energía en el plasma y calentarlo, es posible acelerar las partículas de combustible a velocidades tan altas que cuando chocan, en lugar de rebotar entre sí, los núcleos de combustible se fusionan. Cuando esto sucede, liberan energía, principalmente en forma de neutrones que se mueven rápidamente .
Durante el proceso de fusión, las partículas de combustible se alejan gradualmente del núcleo denso y caliente y finalmente chocan con la pared interna del recipiente de fusión. Para evitar que las paredes se degraden debido a estas colisiones, lo que a su vez también contamina el combustible de fusión, los reactores se construyen de modo que canalicen las partículas descarriadas hacia una cámara fuertemente blindada llamada desviador. Esto bombea las partículas desviadas y elimina el exceso de calor para proteger el tokamak.
Las paredes son importantes.
Una limitación importante de los reactores anteriores ha sido el hecho de que los desviadores no pueden sobrevivir al bombardeo constante de partículas durante más de unos pocos segundos. Para hacer que la energía de fusión funcione comercialmente, los ingenieros deben construir un recipiente tokamak que sobreviva durante años de uso en las condiciones necesarias para la fusión.
La pared del desviador es la primera consideración. Aunque las partículas de combustible están mucho más frías cuando llegan al desviador, todavía tienen suficiente energía para desprender átomos del material de la pared del desviador cuando chocan con él . Anteriormente, el desviador de JET tenía una pared hecha de grafito, pero el grafito absorbe y atrapa demasiado combustible para un uso práctico .
Alrededor de 2011, los ingenieros de JET actualizaron el desviador y las paredes internas del recipiente a tungsteno. Se eligió el tungsteno en parte porque tiene el punto de fusión más alto de cualquier metal, un rasgo extremadamente importante cuando es probable que el desviador experimente cargas de calor casi 10 veces más altas que el cono de la nariz de un transbordador espacial que vuelve a entrar en la atmósfera terrestre. La pared interior del recipiente del tokamak se actualizó de grafito a berilio. El berilio tiene excelentes propiedades térmicas y mecánicas para un reactor de fusión: absorbe menos combustible que el grafito pero aún puede soportar las altas temperaturas .
La energía que produjo el JET fue lo que ocupó los titulares, pero argumentamos que, de hecho, es el uso de los nuevos materiales de pared lo que hace que el experimento sea realmente impresionante porque los dispositivos futuros necesitarán estas paredes más robustas para operar a alta potencia durante períodos aún más largos. de tiempo. JET es una exitosa prueba de concepto sobre cómo construir la próxima generación de reactores de fusión.
Los próximos reactores de fusión
El JET tokamak es el reactor de fusión magnética más grande y avanzado actualmente en funcionamiento. Pero la próxima generación de reactores ya está en proceso, en particular el experimento ITER , que comenzará a operar en 2027. ITER, que en latín significa “el camino”, está en construcción en Francia y está financiado y dirigido por una organización internacional que incluye los EE. UU.
ITER va a poner en práctica muchos de los avances materiales que JET demostró que son viables. Pero también hay algunas diferencias clave. Primero, ITER es masivo. La cámara de fusión tiene 37 pies (11,4 metros) de alto y 63 pies (19,4 metros) de diámetro , más de ocho veces más grande que JET. Además, ITER utilizará imanes superconductores capaces de producir campos magnéticos más intensos durante periodos de tiempo más prolongados que los imanes de JET. Con estas actualizaciones, se espera que ITER supere los récords de fusión de JET, tanto en la producción de energía como en la duración de la reacción.
También se espera que ITER haga algo fundamental para la idea de una central eléctrica de fusión: producir más energía de la que se necesita para calentar el combustible. Los modelos predicen que ITER producirá alrededor de 500 megavatios de energía de forma continua durante 400 segundos y solo consumirá 50 MW de energía para calentar el combustible. Esto significa que el reactor produjo 10 veces más energía de la que consumió , una gran mejora con respecto al JET, que requirió aproximadamente tres veces más energía para calentar el combustible que la que produjo para su reciente récord de 59 megajulios .
El historial reciente de JET ha demostrado que años de investigación en física de plasma y ciencia de materiales han valido la pena y han llevado a los científicos al umbral de aprovechar la fusión para la generación de energía. ITER proporcionará un enorme salto hacia el objetivo de las plantas de energía de fusión a escala industrial.
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