El interés por la energía de fusión está creciendo hoy en día en respuesta a la urgente necesidad mundial de energía limpia y abundante. Al menos 43 empresas privadas persiguen ahora el objetivo de fusionar de forma segura dos núcleos atómicos para formar un núcleo más pesado liberando al mismo tiempo energía. Sin embargo, la reacción estándar deuterio-tritio (DT) en el corazón de los reactores de fusión plantea una serie de problemas importantes a largo plazo.
El deuterio y el tritio son isótopos de hidrógeno que se fusionan a bajas temperaturas y liberan más energía que otras reacciones. Pero también producen una corriente de neutrones, lo que requiere técnicas de contención complejas (y aún incompletas) para evitar que la radiación de neutrones destruya las paredes del reactor, la infraestructura de soporte y los organismos cercanos.
Esto nos obligará a estudiar una serie de combustibles de fusión más avanzados, o medidas muy innovadoras, para que podamos superar el problema o explotarlo positivamente.
a Una nueva generación de expertos en integración Los inconformistas pretenden resolver el problema de los neutrones. Su enfoque es reemplazar el combustible DT con elementos fácilmente disponibles que, cuando se combinan, liberan energía transportada por partículas cargadas, en lugar de neutrones. Los defensores del método de fusión no electrónica argumentan que los dispositivos eventualmente serán más fáciles de construir y más adecuados para sistemas de energía, porque será más fácil convertir la energía de las partículas cargadas en electricidad. También producen pocos o ningún residuo radiactivo.
Fusión de hidrógeno y boro.
tecnologías te, Anteriormente conocida como TriAlpha Energy, tiene el programa privado de fusión de neutrones mejor establecido. La empresa fue fundada en 1998 y, según el director general Michel Binderbauer, su capitalización actual es de unos 1.250 millones de dólares. El enfoque de TAE implica alimentar sus reacciones con hidrógeno y boro, una mezcla también conocida como p-B11. Cuando el hidrógeno y el boro se funden, se liberan tres núcleos de helio-4 cargados positivamente, conocidos como partículas alfa.
El diseño TAE confina el plasma (un combustible tan caliente que los electrones son arrancados de los átomos, formando un gas ionizado) mediante una técnica llamada formación de campo inverso (FRC). En FRC, el plasma está esencialmente confinado a su propio campo magnético, en lugar de depender de un campo aplicado externamente.
El reactor de investigación lineal cilíndrico de TAE, apodado Norman, está cubierto en cada extremo por cañones de plasma electromagnéticos orientados hacia adentro, que aceleran anillos de plasma hacia la cámara central. Allí, los anillos se combinan para formar un único plasma cilíndrico, estabilizado por un haz de átomos neutros provenientes de los lados. Estos rayos también calientan el plasma y le proporcionan combustible fresco. El diseño de la central eléctrica de TAE depositaría calor en las paredes de un recipiente de contención y lo convertiría en vapor para impulsar una turbina utilizando un sistema de conversión térmica convencional.
«Es una bestia súper elegante», dice Binderbauer. «En los diseños típicos de confinamiento magnético, aproximadamente el 60% del costo de la máquina es el costo del imán. Si puedes aprovechar al máximo tu campo magnético utilizando el propio plasma, obtendrás una enorme ventaja económica».
Pero históricamente se ha demostrado que los FRC no están controlados: si el plasma se comporta mal, el campo magnético adyacente también se rompe y el plasma se enfría. El equipo de Benderbauer ha pasado la última década buscando formas de estabilizar los plasmas. En los últimos años, la empresa ha desarrollado métodos y dispositivos para remodelar y reposicionar el plasma en tiempo real, aprovechando los avances en inteligencia artificial y aprendizaje automático.
«Ahora tenemos esa estabilidad», afirma Binderbauer. «Podemos manipular estas corrientes y mantenerlas constantes y estables. Tenemos hermosos campos magnéticos que se comportan exactamente como se esperaba».
Hay otro gran inconveniente de quemar combustible de hidrógeno y boro para producir energía de fusión: requiere temperaturas extremas, más de 3 mil millones de grados Celsius, 20 o 30 veces más altas que las temperaturas requeridas para la reacción del deuterio y el tritio. El pensamiento convencional de muchos físicos es que a estas temperaturas, los electrones se ralentizarán tanto que enfriarán el plasma más rápido de lo que puede calentarse.
Binderbauer responde que los electrones serán el principal portador de energía fuera del plasma, pero que la temperatura de esos electrones está limitada por efectos relativistas. «Desde la década de 1990, hemos realizado un trabajo muy sofisticado y publicado una serie de artículos revisados por pares. Otros han medido estas cosas y han descubierto que no hay un enfriamiento por radiación catastrófico que mate al estado.
Apuesta por isótopos raros
Energía de espárragos En cambio, apunta a la fusión basada en un isótopo raro de helio, el helio-3. Desafortunadamente, el helio-3 es extremadamente raro (representa sólo el 0,0001% del helio disponible en la Tierra) y su producción es muy costosa. Con el tiempo será posible extraer helio-3 de la superficie de la Luna, donde se estima que hay 1,1 millones de toneladas. Pero en lugar de construir una nave espacial, Helion planea producir helio-3 en su máquina mediante reacciones secundarias entre deuterio y deuterio. Hasta ahora, la compañía ha producido una cantidad muy pequeña de helio-3, pero planea utilizar un “ciclo de combustible cerrado patentado y altamente eficiente” para aumentar la producción de helio-3.
Esta reacción puede servir como un paso intermedio a la reacción «clásica» de tritio-deuterio o reacción de protonación de boro, porque requiere una temperatura más baja.
Las reacciones de D-Helio-3 no son estrictamente reacciones de neutrones, sino que liberan sólo alrededor del 5% de su energía en forma de neutrones rápidos. Esto no eliminará por completo las complicaciones del daño por radiación, pero las reducirá significativamente.
El dispositivo Helion, al igual que el dispositivo TAE, será un cilindro cubierto de cañones de plasma opuestos. En lugar de intentar crear una reacción sostenida, los cañones de plasma del dispositivo pulsan aproximadamente una vez por segundo, dice la compañía, creando un FRC fijo en el centro y condensando el plasma con un campo magnético hasta que se calienta y es lo suficientemente denso como para fusionarse. Cuando se libera energía, el plasma empujará hacia afuera contra el campo magnético, permitiendo que el sistema recoja energía cargada a través de las bobinas magnéticas.
Para crear los pulsos, el dispositivo Helion dependerá de grandes bancos de condensadores que almacenarán hasta 50 megajulios de energía y la descargarán en menos de un milisegundo, una y otra vez.
A pesar de estos y otros obstáculos técnicos, Helion ha encontrado su primer cliente para una planta de energía que espera esté operativa en 2028. La compañía recientemente llegó a un acuerdo con Microsoft para suministrar al menos 50 megavatios de electricidad, suficiente para una planta de energía. para datos. producción. Centro, tras un período de aceleración de un año.
Muchos en la comunidad de la energía de fusión han descartado la idea como un truco publicitario o, en el mejor de los casos, como una propuesta demasiado optimista para una empresa que aún tiene que demostrar ganancias netas de energía a partir de sus reacciones.
Fusión con láser de boro de HB11
Concepto de reactor HB11 La empresa con sede en Australia utiliza láseres de alta energía combinados con confinamiento magnético para fusionar hidrógeno y boro. El enfoque utiliza pulsos ultracortos de láseres de amplificación de pulsos ultracortos (tema del Premio Nobel de Física de 2018) para acelerar rápidamente el hidrógeno a través de un combustible de boro dentro de un campo magnético confinado, desencadenando la fusión cuando chocan.
Integración según la maravilla alemana
Marvel Fusion, con sede en Alemania, busca lograr una fusión por confinamiento inercial iniciada por láser utilizando un láser de alta energía y combustible Proton Boron-11 en objetivos nanoestructurados. La empresa se asoció recientemente con la Universidad Estatal de Colorado para construir una de las instalaciones láser más potentes del mundo, en Fort Collins,
Sistemas de fusión Princeton
El enfoque FRC de Princeton Fusion Systems utiliza deuterio y helio-3 y utiliza calentamiento por radiofrecuencia tanto para la formación de FRC como para el calentamiento del plasma. Utilizando tecnología de imanes superconductores, el experimento busca trabajar en la fusión a pequeña escala que daría lugar a aplicaciones de emisiones de baja energía con una variante de potencia de 1 a 10 MW que podrían usarse para submarinos, unidades industriales, naves espaciales o centrales eléctricas urbanas. Se necesita helio 3será una fusión Fue capturado por la Luna mediante un sistema de sonda.
Una visión muy futurista de la fusión nuclear.
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