La hoja de ruta actual, si lo desea, de la tecnología de fusión nuclear tiene dos conceptos principales que se desarrollan en paralelo. Estos son (a) fusión por confinamiento inercial (ICF) y (b) fusión por confinamiento magnético (MCF). Además de estos, podemos definir el grupo de conceptos diversos que contiene confinamiento electrostático y conceptos híbridos de MCF e ICF.
Además de la distinción en tecnologías para crear fusión, existe una distinción grosera en el tipo de fusión, a saber, fusión neutrónica y aneutrónica. La fusión neutrónica significa que principalmente el exceso de neutrones transporta la energía de la reacción de fusión y la fusión aneutrónica significa que principalmente el exceso de partículas cargadas transporta la energía.
Encierro inercial
(a) Aquí la energía en el plasma se acumula a temperaturas de fusión y se limita el tiempo suficiente para reacciones de fusión reales únicamente debido a la inercia del plasma.
Este es un método muy desafiante porque toda la energía de entrada se entrega en una escala de tiempo muy corta. Aproximadamente, en este momento este aporte de energía, para crear la alta inercia, es proporcionado por los láseres (aa) o aplicando una inestabilidad plasmática conocida llamada Z-pinch (bb).
(aa) Uso de láseres enfocados de alta potencia para calentar rápidamente un gránulo de combustible de fusión con una carcasa especial para implosionar y encender. Actualmente, la instalación más grande que usa láser es la Instalación Nacional de Encendido en los EE. UU. Y en el futuro HIPER en Francia, que está siendo diseñada desde el principio para tener un modo de pulso repetitivo y, por lo tanto, la posibilidad de operación continua.
https://lasers.llnl.gov/
http://www.hiper-laser.org/
(bb) El laboratorio nacional Sandia alberga la máquina Z, que al pasar una gran corriente a través de un conjunto de cables en muy poco tiempo, crea una gran fuerza de compresión, suficiente para generar fusión.
http://en.wikipedia.org/wiki/Z_m…
Un problema tanto con la máquina Z como con el NIF es no poder tener disparos repetidos, debido a los enormes requisitos de potencia por disparo (para ambos) y las limitaciones físicas de los revestimientos (máquina Z) y los láseres actuales (NIF ) Durante los próximos años, NIF está haciendo una prueba de concepto para la fusión nuclear mediante confinamiento inercial asistido por láser. Dependiendo de los desarrollos en NIF, HIPER se construirá en 2028.
http://www.hiper-laser.org/33pro…
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Proporciona un ángulo diferente para la investigación de plasma que la fusión controlada que podría utilizarse, por ejemplo, en el desarrollo del acelerador de plasma, el desarrollo de láser de alta energía y las tecnologías de seguimiento.
Encierro magnético
(b) Hay dos distinciones principales que deben hacerse aquí, a saber, el diseño Tokamak y el diseño Stellarator .
El diseño Tokamak se ha construido desde la década de 1950 en varias formas y desde entonces los números de rendimiento han aumentado exponencialmente en el tiempo con un mayor tamaño de los reactores y con regímenes operativos en evolución.
Aproximadamente, para una forma de plasma y un régimen de parámetros dados, un aumento en el tamaño conduce a una mayor eficiencia de plasma.
Con el proyecto ITER, el tamaño del reactor aumenta nuevamente y el aumento esperado en el rendimiento debería conducir a una ganancia neta de energía durante tiempos de confinamiento más largos (en el orden de minutos). Esto debería tener lugar entre 2025-2030. Si tiene éxito, se construirá un reactor de seguimiento para demostrar la aplicación final como planta de energía, entre 2045-2055.
http://www.iter.org/
Este es el proyecto más costoso hasta ahora, pero también en el que se ha acumulado la mayor experiencia, de manera sistemática y rigurosa. La mayor incertidumbre es la calidad de las bobinas superconductoras que solo tendrán una prueba en frío antes de integrarse en el ensamblaje final. El diseño establecido en el que se trabaja hoy asume un llamado modo de alto confinamiento (modo H) como el régimen operativo. Este modo fue descubierto accidentalmente a principios de los años ochenta durante los experimentos en ASDEX en Alemania. Sin embargo, está acompañado de inestabilidades en el borde del plasma (ELM) que para los reactores del tamaño de ITER conducirían a flujos de calor destructivos hacia las paredes, a menos que las inestabilidades se mitiguen o controlen continuamente.
En la actualidad, el llamado modo mejorado (modo I) está ganando tracción, ya que muestra un confinamiento de energía similar al modo H sin la presencia de estos ELM. Actualmente se está explorando si este modo I puede ser operado por dispositivos más grandes.
Fuente:
Se están explorando y ampliando mejores escenarios operativos de Fusion Plasma en el Alcator C-Mod Tokamak
Algunos experimentos notables de Tokamak que todavía están activos son; JET, actualización ASDEX, DIIID, Alcator C-mod, TCV, Tora Supra, JT90, KSTAR, EAST.
Como una subcategoría de Tokamaks, debo mencionar los Tokamaks esféricos (ST), estos son Tokamaks con un radio mayor muy pequeño, es decir, más una forma de bola y menos un toro. En el experimento ST HIT, se está probando un nuevo tipo de estabilización en la que ‘agitar’ el plasma sirve como mitigación de todas las inestabilidades.
En el reactor Tokamak, las líneas de campo helicoidal que mantienen unido el plasma están formadas por una corriente inducida y bobinas de campo toroidales. Esta unidad actual también es la causa de muchas inestabilidades. En el Stellarator no hay necesidad de una corriente toroidal, ya que la bobina de campo poloidal genera la helicidad de las líneas de campo únicamente. Las bobinas de campo poloidal son necesariamente complejas ya que el campo magnético que debe producir está torcido. El mayor experimento de este tipo es el Wendelstein 7-x en Alemania, producirá su primer plasma en 2015. Su propósito es investigar la posibilidad de una operación de plasma en estado estacionario.
http://www.ipp.mpg.de/ippcms/eng…
Categoría C, los experimentos más pequeños
(c) Indudablemente hay muchos conceptos que extraño, así que mencionaré solo algunos.
Fusión de foco, confinamiento electrostático inercial (IEC), confinamiento invertido en campo (FRC) y conceptos híbridos que combinan el confinamiento magnético y el confinamiento inercial (también llamado fusión magneto-inercial).
Es difícil excluir categóricamente cualquier concepto, sin embargo, la mayoría de los conceptos están muy alejados de los números de rendimiento necesarios para la fusión nuclear en términos de eficiencia en lo que respecta a los datos disponibles . Incluso si estos conceptos son demasiado ineficientes para la producción neta de energía, aún pueden servir como fuente de neutrones, tal vez para la producción de isótopos, la investigación de materiales o la investigación de plasma. Entonces, incluso si todos estos conceptos fallan, pueden servir como herramientas importantes para otros proyectos.
Un ejemplo de IEC es el polywell de EMC2. El último diseño de EMC2 (el WB8) todavía se está probando, si tiene éxito, seguirá un diseño de 100 MW y una versión aneutrónica del diseño WB8. Un problema importante con los pocillos es su ineficiencia para producir reacciones de fusión debido a la fuga de electrones.
http://en.wikipedia.org/wiki/Pol…
Como ejemplo de FRC, una compañía llamada Tri-alpha está desarrollando un concepto de espejo magnético para facilitar la fusión aneutrónica, ha reunido más de $ 100 millones de inversores privados. La máquina de espejo magnético es potencialmente mucho más simple y mucho más pequeña que los diseños Tokamak. Una ventaja importante es el hecho de que los productos de fusión están cargados y, por lo tanto, pueden usarse directamente para generar energía eléctrica, y como están cargados, pueden manipularse utilizando campos magnéticos. Los productos de fusión cargados pueden enfocarse, por ejemplo, para crear una conversión de potencia directa compacta. Un inconveniente importante es la fuga de partículas debido a la línea de campo abierto a través del centro, lo que reduce la eficiencia.
El plasma de fusión de enfoque promete producir potencia de fusión eficiente, sin embargo, su dependencia de las inestabilidades para generar suficiente energía / densidad de plasma hace que sea difícil convertirse en una fuente de energía continua y estable, tampoco está claro cómo y si este diseño puede ampliarse para producir energía neta.
Conceptos híbridos: por ejemplo, el de General Fusion, que implica el uso de cientos de cilindros que inciden en un solo punto (igualmente cronometrado en microsegundos) para comprimir litio líquido rotativo y plomo líquido a través de ondas de choque en un vórtice de plasma DT magnéticamente confinado que se dispara en la cavidad de la esfera. Aquí el litio actúa como la fuente de tritio y la energía se transfiere a través del líquido que se calienta y se expande. Las dificultades son principalmente de naturaleza de ingeniería, los problemas experimentados por la fusión de confinamiento magnético son de menor importancia aquí porque el tiempo de confinamiento se mantiene muy pequeño. Esto se llama Magnetized Target Fusion (MTF), aquí se comprime un plasmoide de baja densidad para obtener el tiempo de confinamiento requerido para la fusión.
El concepto híbrido MagLIF es una combinación de una máquina Z-pinch y un sistema de confinamiento basado en láser. El modo básico de operación es el siguiente: primero se genera un plasma magnéticamente confinado de deuterio y tritio en un Hohlraum usando un láser de alta potencia, luego el Hohlraum es pellizcado (es decir, comprimido) por un disparo de corriente. Una vez más, al igual que con la máquina Z y la NIF, los disparos repetidos son muy difíciles debido a las cargas de calor excesivas en los revestimientos, que transportan los disparos de corrientes enormes del orden de 50 millones de amperios.
Otro concepto es un reactor híbrido de fusión / fisión, donde parte de la energía de salida es entregada por una reacción de fisión que es catalizada por los neutrones de alta energía de las reacciones de fusión. De esta forma, se puede utilizar material fisionable sin producir mucho (si es que hay) desperdicio nuclear.
Las principales dificultades para la producción sostenida de energía, tanto para el confinamiento inercial como magnético son; (I) degradación y activación del material debido a la fluidez de neutrones [especialmente para fusión neutrónica], (II) control de contaminación, (III) mantenimiento y específicamente para confinamiento magnético; Control continuo de la dinámica del plasma y prevención de inestabilidades perjudiciales (IV).
(I) La fluidez de neutrones desestabiliza los materiales de la pared para producir desechos radiactivos de corta duración, y debido a la transmutación en realidad cambia el tipo de elemento, Wolfram, por ejemplo, puede cambiar a Plomo. Una posible solución con la que se está experimentando ahora es el uso de litio líquido que fluye sobre las paredes del reactor.
(II) ¿Cómo insertamos combustible sin crear demasiada perturbación y cómo deshacemos de los productos de fusión de manera eficiente?
(III) Como se dijo, especialmente para la fusión neutrónica, la pared será radiactiva y el mantenimiento de los componentes dentro del reactor requerirá herramientas robóticas especiales.
(IV) El tiempo de confinamiento es uno de los indicadores de rendimiento más importantes de cualquier reactor de fusión de confinamiento magnético experimental. Requiere sistemas de control que puedan (de manera predictiva) responder con precisión en milisegundos y monitoreo continuo de todos los parámetros de plasma relevantes. La densidad relativamente baja del plasma requiere tiempos de confinamiento relativamente largos para que haya suficientes colisiones. Este requisito de un tiempo de confinamiento prolongado es el factor más limitante para MCF, independientemente de si la reacción es neutrónica o aneutrónica.
La fusión aneutrónica requiere temperaturas mucho más altas y es probable que sea menos estable en términos de dinámica del plasma debido a los iones de boro más pesados. Sin embargo, una reacción de fusión aneutrónica pura no (radio) activará y degradará la pared, abrirá la posibilidad de conversión de potencia directa, así como el control magnético sobre los productos de fusión expulsados, ya que están cargados.
Los beneficios son tan grandes que uno debería esperar mucho antes de que se logre la fusión neutrónica con el confinamiento magnético, el desarrollo de
Los conceptos aneutrónicos comenzarán a recibir una considerable financiación pública.
Bobinas superconductoras
Menciono esto por separado porque los desarrollos tecnológicos en esta área no solo son cruciales para la viabilidad de la fusión por confinamiento magnético, sino que también están parcialmente separados de la investigación del plasma de fusión en el sentido de que maximizar el máximo campo magnético que se puede generar es un objetivo en sí mismo. .
Hay dos desarrollos recientes de interés para este tema:
(I) a finales de 2013, la Universidad Holandesa de Twente confirmó experimentalmente que un nuevo devanado de los cables conduce a un diseño considerablemente más robusto de la bobina superconductora con respecto a los flujos de corriente. Se espera que este sea el diseño estándar futuro de las bobinas superconductoras.
Fuente
(II) menos reciente (2001) es el desarrollo de un material barato para futuras bobinas superconductoras, a saber, el diboruro de magnesio.
Fabricación de cables superconductores de MgB 2
Personalmente no tengo dudas de que aprovecharemos la energía de fusión. En términos de tecnología, no se trata de posible o imposible, sino de perseverancia, audacia y conveniencia. Expediencia, porque es probable que la fusión nuclear requiera más tiempo para alcanzar el potencial completo que, por ejemplo, la energía solar o eólica que ya se están comercializando. Por lo tanto, existe el riesgo de que el público y la política pierdan interés y, por lo tanto, se corten los fondos de los grandes proyectos como ITER y HIPER. Mientras tanto, se está gastando una gran cantidad de capital de inversión privada en experimentales, digamos la categoría (c), conceptos que prometen éxito pero que ciertamente no ofrecen garantías. Esto requiere audacia ahora, y especialmente en el futuro si estos conceptos no cumplen inmediatamente con las expectativas. Perseverancia porque el concepto de fusión nuclear es muy superior al eólico o solar en términos de la tecnología obtenida y la huella ecológica que deja.
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