Nuevo avance en la fusión nuclear: Europa y Japón completan el JT-60SA, el ‘tokamak’ más potente del mundo en el que ha participado España

Casi doce años después de comenzar su colaboración bajo los auspicios del Acuerdo de Enfoque más amplio, Europa y Japón han dado un paso importante en el desarrollo de la energía de fusión al completar el JT-60SA, el tokamak más potente del mundo antes de que el ITER entre en escena.

Con un diámetro de 12 metros, las dimensiones de JT-60SA son aproximadamente la mitad del tamaño del ITER. En el futuro, sus potentes sistemas de calefacción podrán llevar el plasma de hidrógeno a temperaturas superiores a 200 millones de ° C, comparables a las previstas en el ITER. También tiene un sistema similar de imanes superconductores, que confinarán y controlarán el plasma, y ​​un sistema de enfriamiento de helio líquido que los enfriará a -269 ° C. En términos de volumen de plasma, JT-60SA es casi cinco veces más pequeño que el ITER y funcionará con una mezcla de hidrógeno y gas de deuterio.

Los ingenieros japoneses y europeos pudieron utilizar gran parte de la infraestructura del sitio existente heredada del dispositivo JT-60U anterior, lo que les permitió reducir el tiempo y los costos. Sin embargo, la mayoría de los componentes principales han sido completamente rediseñados y fabricados nuevamente por los dos socios.

Europa ha contribuido con las bobinas de campo toroidales, los cables de corriente superconductores de alta temperatura, el criostato, el crioplante y parte de las fuentes de alimentación, mientras que Japón proporcionó las bobinas de campo poloidales, el recipiente de vacío y los componentes en el recipiente, las fuentes de alimentación básicas, los escudos térmicos , extensiones de puerto de criostato, montaje, desmontaje y herramientas básicas de manejo remoto.

El primer componente instalado, en enero de 2013, era la base del criostato de 13 m de diámetro y un peso de 250 toneladas. Fue diseñado por CIEMAT, fabricado en España y transportado por F4E a Japón. En 2015, se entregó e instaló el primer conjunto de fuentes de alimentación de la UE, seguido de las fuentes de alimentación de imán superconductor y las unidades de red de conmutación.

La instalación del crioplante tardó un poco más de un año y se completó en diciembre de 2016. La contribución más compleja de la UE, los dieciocho imanes de campo toroidales, se probaron completamente a temperatura y corriente nominales en el Centro de pruebas de Saclay (CEA) y entregado a Naka en un par de años, y los dos últimos llegaron en marzo de 2018. El ensamblaje de los imanes de la bobina TF se completó en mayo de 2018. Las bobinas PF se instalaron en la posición final, así como el complejo sistema de protección térmica erigido, el solenoide central insertado, el criostato erigido y sellado alrededor de la máquina.

Finalmente, la llamada «tapa superior» se bajó para cerrar la estructura del criostato. Fue el 30 de marzo de 2020 cuando se completó la asamblea JT-60SA, después de siete años de intenso trabajo.

Actualmente, la máquina se somete a algunas pruebas funcionales, conocidas como puesta en marcha integrada. Se está haciendo un esfuerzo significativo hacia una realización temprana de la primera operación, el llamado Primer Plasma, minimizando los efectos de COVID-19.

La activación de JT-60SA es un hito emocionante y marcará el nacimiento de un nuevo líder en el campo de los dispositivos de fusión. “La principal característica de ingeniería de JT-60SA es el desarrollo de un tokamak superconductor que, si bien está diseñado para parámetros de plasma muy ambiciosos, es notablemente rentable, desde el punto de vista de fabricación, montaje, integración y operación, y se ha construido dentro del costo y unidades de costo normalizadas, que son muy bajas en comparación con otros tokamaks», asegura Enrico Di Pietro, gerente de programa de F4E para JT-60SA.

Según Enrico, la clave de esto ha sido «las soluciones de diseño novedosas en muchas áreas, como la optimización del diseño de imanes, el concepto de enfriamiento criogénico del imán, las soluciones de diseño para el sistema de soporte mecánico para la máquina en su conjunto y el imán en particular, soluciones de diseño simple y liviano para el criostato, diseño efectivo de sistemas de suministro de energía, siguiendo un enfoque holístico para el diseño del sistema, basado en los conocimientos y herramientas adecuados para la optimización del nivel del sistema».

Y ahora ¿qué?

Después de probar que los sistemas centrales de JT-60SA pueden funcionar según lo previsto, se llevarán a cabo mejoras adicionales en 2021-2023, insertando sistemas e instrumentos adicionales de calentamiento y alimentación de plasma para medir las condiciones de plasma y regular el enfriamiento.

Las operaciones de JT-60SA evolucionarán a lo largo de su vida útil de acuerdo con las necesidades de la comunidad de fusión. En sus primeros años, su función principal será preparar y apoyar el montaje, la puesta en servicio y la operación preliminar de ITER. Los ingenieros y científicos de ITER trabajarán junto con el equipo del proyecto JT-60SA para obtener un valioso conocimiento en relación con su montaje y puesta en servicio, y la primera operación de plasma, ayudándoles a mitigar los riesgos de ITER.

Como el tokamak más cercano en diseño al ITER, el JT-60SA realizará experimentos para ayudar a los científicos a prepararse lo más posible para el comienzo de su operación. Sin embargo, una vez que el ITER se está ejecutando, es probable que el enfoque de la investigación del JT-60SA cambie hacia la preparación para la siguiente generación de reactores de fusión que se centran en la demostración y optimización del funcionamiento en estado estacionario de configuraciones avanzadas de plasma. JT-60SA ha sido diseñado para cubrir la investigación de plasma no cubierta por ninguna otra máquina existente y para algunos aspectos (relacionados con escenarios de operación más relevantes para DEMO) ni siquiera por el ITER.

“JT-60SA ha sido y será una oportunidad única para elevar la ‘generación ITER’ de ingenieros y científicos, una función que no debe subestimarse en los programas de investigación como la fusión, en la que se debe garantizar el mantenimiento del conocimiento y la experiencia. horizontes de mucho tiempo», afirma Di Pietro.

El Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Cuántica y Radiológica (QST, Japón) y Fusion for Energy (F4E, Barcelona) son las agencias implementadoras del JT-60SA con la responsabilidad de la fabricación de componentes, el montaje y la puesta en servicio del dispositivo.

La contribución de la UE al JT-60SA ha sido posible gracias también a la gran contribución voluntaria de varios Laboratorios de la UE: CEA (Francia), ENEA (Italia), CNR-RFX (Italia), KIT (Alemania), SCK-CEN ( Bélgica) y CIEMAT (España) que participaron en el diseño y contrataron la fabricación de la mayor parte de la contribución de la UE. Estas organizaciones también han apoyado el crecimiento de una generación joven de investigadores, que han demostrado sus habilidades de gestión e ingeniería en sus respectivas instituciones.

Por su parte, QST pudo trabajar con varias compañías japonesas, incluidas algunos gigantes de fabricación como Mitsubishi Electric y Toshiba.

La excelente colaboración entre la UE y Japón ha aumentado significativamente su confianza mutua allanando el camino para futuros logros. La extensión del Acuerdo BA (incluido JT-60SA), firmado en Bruselas el 2 de marzo de 2020, ha confirmado su intención de seguir trabajando juntos. La finalización exitosa de JT-60SA destaca la creciente capacidad de la comunidad de fusión en Europa y Japón, pero también en todo el mundo, para trabajar bien juntos y cumplir importantes hitos y avanzar un paso más para llevar el poder del Sol a la Tierra.