El progreso hacia el largamente buscado sueño de la energía de fusión – potencialmente una fuente de energía inagotable, libre de carbono y sin combustión – sigue avanzando con el diseño del reactor de fusión nuclear SPARC, que pese a las circunstancias, no se atrasará y promete comenzar su construcción en junio de 2021
Hace dos años y medio, el MIT firmó un acuerdo de investigación con la startup Commonwealth Fusion Systems (CFS) para desarrollar un experimento de investigación de fusión de próxima generación, llamado SPARC, como precursor de una central eléctrica práctica y libre de emisiones.
Ahora, tras muchos meses de intensa investigación y trabajo de ingeniería, los investigadores encargados de definir y perfeccionar la física que hay detrás del ambicioso diseño del tokamak (cámara toroidal cuyo objetivo es obtener la fusión de partículas de plasma) han publicado una serie de documentos en los que se resumen los progresos realizados y se esbozan las cuestiones clave de investigación que permitirá el desarrollo del proyecto SPARC.
En general, dice Martin Greenwald, subdirector del Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT y uno de los científicos principales del proyecto, el trabajo está progresando sin problemas y en el camino correcto. Esta serie de trabajos proporciona un alto nivel de confianza en la física del plasma y las predicciones de rendimiento para SPARC, dice. No han aparecido impedimentos inesperados o sorpresas, y los desafíos restantes parecen ser manejables. Esto establece una base sólida para el funcionamiento del dispositivo una vez construido, según Greenwald.
Greenwald escribió la introducción de un conjunto de siete artículos de investigación escritos por 47 investigadores de 12 instituciones y publicados a finales de septiembre en un número especial del Journal of Plasma Physics. Juntos, los artículos esbozan las bases físicas teóricas y empíricas para el nuevo sistema de fusión, que el consorcio espera empezar a construir el próximo año.
Se prevé que SPARC sea el primer mecanismo experimental que logre un “plasma ardiente”, es decir, una reacción de fusión autosostenida en la que diferentes isótopos del elemento hidrógeno se fusionan para formar helio, sin necesidad de ningún otro aporte de energía. El estudio del comportamiento de este plasma ardiente – algo nunca antes visto en la Tierra de manera controlada – es visto como información crucial para desarrollar el siguiente paso, un prototipo de trabajo de una planta de energía práctica y generadora de energía.
Tales plantas de energía de fusión podrían reducir significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero del sector de generación de energía, una de las principales fuentes de estas emisiones a nivel mundial. El proyecto del MIT y el CFS es uno de los mayores proyectos de investigación y desarrollo con financiación privada que se hayan realizado nunca en el campo de la fusión.
“El grupo del MIT está buscando un enfoque muy convincente para la energía de fusión”, dice Chris Hegna, profesor de física de ingeniería en la Universidad de Wisconsin en Madison, que no estaba relacionado con este trabajo. “Se dieron cuenta de que el surgimiento de la tecnología de superconducción de alta temperatura permite un enfoque de alto campo magnético para producir una ganancia de energía neta a partir de un sistema de confinamiento magnético. Este trabajo es un potencial cambio de juego para el programa internacional de fusión.”
El diseño del SPARC, aunque es aproximadamente el doble del tamaño del ahora retirado experimento Alcator C-Mod del MIT y similar a varias otras máquinas de fusión de investigación actualmente en funcionamiento, sería mucho más potente, logrando un rendimiento de fusión comparable al esperado en el tokamak ITER mucho más grande que está construyendo en Francia un consorcio internacional.
La alta potencia en un tamaño pequeño es posible gracias a los avances en los imanes superconductores que permiten un campo magnético mucho más fuerte para confinar el plasma caliente.
Figura 1. Comparación del reactor de fusión nuclear ITER vs. una persona
El proyecto SPARC fue lanzado a principios de 2018, y el trabajo en su primera etapa, el desarrollo de los imanes superconductores que permitirían la construcción de sistemas de fusión más pequeños, ha avanzado a buen ritmo. El nuevo conjunto de documentos representa la primera vez que la base física subyacente de la máquina SPARC se ha esbozado en detalle en publicaciones revisadas por expertos. Los siete artículos exploran las áreas específicas de la física que tuvieron que ser refinadas más a fondo, y que todavía requieren de una investigación continua para precisar los elementos finales del diseño de la máquina y los procedimientos de operación y pruebas que estarán involucrados a medida que el trabajo avance hacia la planta de energía.
Los documentos también describen el uso de cálculos y herramientas de simulación para el diseño de SPARC, que han sido probados con muchos experimentos en todo el mundo. Los autores utilizaron simulaciones de vanguardia, ejecutadas en potentes supercomputadoras, que han sido desarrolladas para ayudar al diseño del ITER. El gran equipo multi-institucional de investigadores representado en el nuevo conjunto de artículos tenía como objetivo traer las mejores herramientas de consenso al diseño del reactor SPARC para aumentar la confianza en que logrará su misión.
El análisis realizado hasta ahora muestra que la salida de energía de fusión prevista del tokamak SPARC debería ser capaz de cumplir las especificaciones de diseño con un cómodo margen de sobra. Está diseñado para alcanzar un factor Q – un parámetro clave que denota la eficiencia de un plasma de fusión – de al menos 2, lo que significa esencialmente que se genera el doble de energía de fusión que la cantidad de energía bombeada para generar la reacción. Esa sería la primera vez que un plasma de fusión de cualquier tipo ha producido más energía de la que ha consumido.
Los cálculos en este punto muestran que SPARC podría realmente alcanzar una proporción Q de 10 o más, según los nuevos trabajos. Aunque Greenwald advierte que el equipo quiere tener cuidado de no prometer demasiado, y queda mucho trabajo por hacer, los resultados hasta ahora indican que el proyecto al menos alcanzará sus metas, y específicamente cumplirá su objetivo clave de producir un plasma ardiente, en el que el auto-calentamiento domine el balance energético.
Las limitaciones impuestas por la pandemia de Covid-19 ralentizaron un poco el progreso, pero no mucho, dice, y los investigadores están de vuelta en los laboratorios con nuevas directrices de funcionamiento.
En general, “todavía estamos apuntando a un comienzo de la construcción en aproximadamente junio del 2021”, dice Greenwald.
“El esfuerzo en física está bien integrado con el diseño de ingeniería. Lo que estamos tratando de hacer es poner el proyecto sobre la base física más firme posible, para que estemos seguros de cómo va a funcionar, y luego para proporcionar orientación y responder a las preguntas para el diseño de ingeniería a medida que avanza”.
Muchos de los detalles más finos aún se están trabajando en el diseño de la máquina, cubriendo las mejores formas de introducir energía y combustible en el dispositivo, sacando la energía, tratando con cualquier transitorio térmico o de energía repentino, y cómo y dónde medir los parámetros clave para supervisar el funcionamiento de la máquina.
Figura 2. Esquema del proyecto SPARC. Imagen cortesía de MIT
Hasta ahora, sólo ha habido cambios menores en el diseño general. El diámetro del tokamak se ha incrementado en un 12%, pero poco más ha cambiado, dice Greenwald.
“Siempre está la cuestión de un poco más de esto, un poco menos de aquello, y hay muchas cosas que pesan en eso, cuestiones de ingeniería, tensiones mecánicas, tensiones térmicas, y también está la física – ¿cómo se afecta el rendimiento de la máquina?”
La publicación de este número especial de la revista, dice, “representa un resumen, una instantánea de la base de la física tal como está hoy en día.” Aunque los miembros del equipo han discutido muchos aspectos en reuniones de física, “esta es nuestra primera oportunidad de contar nuestra historia, hacer que la revisen, obtener el sello de aprobación y ponerla en la comunidad“.
Greenwald dice que todavía hay mucho que aprender sobre la física de la quema de plasmas, y una vez que esta máquina esté en funcionamiento, se puede obtener información clave que ayudará a allanar el camino a los dispositivos de fusión comerciales y de generación de energía, cuyo combustible – los isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio – pueden estar disponibles en suministros virtualmente ilimitados.
Los detalles del plasma ardiente “son realmente novedosos e importantes”, dice. “La gran montaña que tenemos que superar es entender este estado de auto-calentamiento del plasma”.
“El análisis presentado en estos trabajos proporcionará a la comunidad mundial de la fusión la oportunidad de comprender mejor las bases físicas del dispositivo SPARC y calibrar por sí mismo los desafíos restantes que deben ser resueltos”, dice George Tynan, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de California en San Diego, que no estaba relacionado con este trabajo.
“Su publicación marca un hito importante en el camino hacia el estudio de los plasmas en combustión y la primera demostración de la generación de energía neta a partir de la fusión controlada, y aplaudo a los autores por poner este trabajo a la vista de todos”, siguió comentando el Sr. Tynan.
En general, dice Greenwald, el trabajo que ha entrado en el análisis presentado en este paquete de documentos “ayuda a validar nuestra confianza en que lograremos la misión”. No nos hemos topado con nada en que digamos, ‘oh, esto predice que no llegaremos a donde queremos’.” En resumen, dice, “una de las conclusiones es que las cosas todavía están en marcha. Creemos que va a funcionar.”
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