Pasos en el camino hacia reactores comerciales económicos de fusión
Las plantas de energía de fusión por confinamiento inercial comercial (ICF) deberán ser más pequeñas que los grandes experimentos de fusión de hoy en día para competir con las plantas de energía nuclear de combustible fósil y fisión.
Usando iones en lugar de fotones
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El concepto de fusión de haz de iones, discutido por primera vez en 1975, reemplaza los láseres con diodos de extracción o aceleradores de inducción que producen haces de iones intensos a partir de elementos como el carbono o el plomo. Los aceleradores que producen haces de iones para la investigación de física de alta energía han demostrado una eficiencia operativa del 20 al 40 por ciento, en comparación con la eficiencia del 1 al 5 por ciento de los láseres de vidrio de neodimio bombeados con lámpara de flash. Esta diferencia es importante porque la eficiencia del conductor determina la cantidad de electricidad producida que se debe alimentar para alimentar el controlador. Además, los científicos tienen una experiencia considerable en el uso de aceleradores que producen pulsos de iones rápidamente a frecuencias del orden de 10 hertzios (diez repeticiones por segundo) y se pueden requerir velocidades de repetición rápidas para la fusión ICF si el rendimiento energético de los objetivos de fusión es pequeño (en el orden de 300 MJ de energía o menos por disparo). Los controladores de fusión de haz de iones tienen excelentes características de “separación” y están mucho menos sujetos al daño del controlador de fusión de iones ya que funciona en la cámara de fusión que la óptica final de un láser grande. Los láseres grandes pueden tener que reemplazar con frecuencia la óptica de enfoque final en la cámara de fusión láser (y esto es un tiempo de inactividad impredecible de mantenimiento que resulta en la interrupción de la generación de energía de la planta de energía de fusión). Un controlador de fusión de haz de iones de diodo de extracción, por otro lado, no tiene una óptica de vidrio final y es mucho más capaz de sobrevivir a los pequeños choques frecuentes producidos por explosiones de fusión en la cámara de fusión.
Comercial ICF Fusion necesita almacenamiento de energía inductiva de mayor densidad –
Un componente importante del costo de los experimentos de fusión por confinamiento inercial es el costo del almacenamiento de energía que es parte del controlador de fusión (láser o haz de partículas) que se utiliza para iniciar la ignición de fusión.
Aunque el almacenamiento de energía capacitiva tiene el mérito de la simplicidad, el almacenamiento inductivo potencialmente ofrece densidades de energía alrededor de 100-1000 más altas. Esto se basa, respectivamente, en una intensidad de campo eléctrico supuesta en el almacén capacitivo de ~ 25 MV / my la densidad de flujo magnético en el almacén inductivo de 10 Teslas.
La dificultad para aplicar el almacenamiento de energía inductiva a los controladores de fusión por confinamiento inercial es: para extraer energía inductiva, es necesario abrir un interruptor para producir un pico de voltaje ultra alto en un controlador de fusión (típicamente, un diodo de extracción que produce un haz de partículas de protones o iones de luz). Es técnicamente difícil diseñar interruptores de apertura de alta tensión y alta tensión.
Reducir el tamaño (y el costo) del controlador de fusión para Inertial Confinement Fusion es una clave para hacer que esta tecnología sea de bajo costo y comercial.
Los experimentos actuales de fusión ICF como NIF en LLNL utilizan grandes bancos de condensadores para almacenar la energía que se utiliza para excitar las lámparas de flash que bombean los láseres de vidrio de neodimio que forman el controlador de fusión láser NIF. El sistema de almacenamiento de energía NIF y el láser son actualmente muy grandes (aproximadamente tres campos de fútbol de tamaño). El almacenamiento de energía NIF ocupa cuatro compartimientos de condensadores, cada uno de 15 por 76 metros (50 por 250 pies), adyacentes a cada uno de los veinticuatro 8 grupos de láser (hay 192 láser en total actualmente en NIF). El banco de condensadores de NIF almacenará unos 425 megajulios de energía, muchas veces más grandes que los bancos de condensadores de Shiva y Nova anteriores. El tamaño de tantos condensadores grandes aumenta el costo de la fusión láser ICF y reduce el potencial comercial.
Lo anterior es una imagen de solo una de las cuatro bahías de condensadores utilizadas para almacenar energía eléctrica extraída de la red eléctrica para alimentar lámparas de flash que bombean ópticamente el láser NIF.
Los pulsos grandes de voltaje ultra alto del almacenamiento de energía inductora superconductora se pueden usar para producir haces de iones de luz o protones pulsados intensos que pueden enfocarse estrechamente y usarse para elevar el combustible dentro de las cápsulas de fusión a las condiciones de fusión. Los haces de protones y de iones de luz se acoplan en una cápsula de fusión de manera significativamente más eficiente (30X) que la luz UV, por lo que se pierde menos energía al intentar encender la cápsula de fusión y la energía suministrada al combustible de fusión para producir ignición de fusión es mayor.
El almacenamiento de energía basado en inductor superconductor puede ser de 100 a 1000 veces más denso en energía que el almacenamiento de energía capacitiva. Reducir el tamaño de la parte de almacenamiento de energía del motor de fusión en un factor superior a 100 ayudaría a controlar los costos y reduciría el tamaño de las futuras plantas de energía de fusión ICF.
(Imagen de un dispositivo DT-DD Pure Fusion de 2 etapas y un controlador de fusión de haz de partículas de iones de luz basado en almacenamiento de energía magnética superconductora básica)