El MIT avanza en su ‘tokamac’ de fusión nuclear y prevé iniciar su construcción el próximo junio

Hace dos años y medio, el MIT firmó un acuerdo de investigación con la empresa emergente Commonwealth Fusion Systems para desarrollar un experimento de investigación de fusión de próxima generación, llamado SPARC, como precursor de una planta de energía práctica y libre de emisiones.

Ahora, después de muchos meses de intenso trabajo de investigación e ingeniería, los investigadores encargados de definir y refinar la física detrás del ambicioso diseño de tokamak han publicado una serie de artículos que resumen el progreso que han logrado y describen las preguntas clave de investigación que permitirá el proyecto SPARC.

En general, dice Martin Greenwald, subdirector del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT y uno de los científicos principales del proyecto, el trabajo avanza sin problemas y por buen camino. Esta serie de artículos proporciona un alto nivel de confianza en la física del plasma y las predicciones de rendimiento para SPARC. No se han presentado impedimentos ni sorpresas inesperados, 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 en un número especial del Journal of Plasma Physics. Juntos, los documentos describen la base física teórica y empírica del nuevo sistema de fusión, que el consorcio espera comenzar a construir el próximo año.

Se planea que SPARC sea el primer dispositivo experimental en lograr un «plasma ardiente», es decir, una reacción de fusión autosostenida en la que diferentes isótopos del elemento hidrógeno se fusionan para formar helio, sin la necesidad de ningún aporte adicional de energía. Estudiar el comportamiento de este plasma en llamas, algo nunca antes visto en la Tierra de manera controlada, se considera información crucial para desarrollar el siguiente paso, un prototipo funcional 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 emisoras a nivel mundial. El proyecto del MIT y CFS es uno de los mayores proyectos de investigación y desarrollo financiados con fondos privados jamás emprendidos en el campo de la fusión.

«El grupo MIT está persiguiendo un enfoque muy convincente para la energía de fusión». dice Chris Hegna, profesor de ingeniería física en la Universidad de Wisconsin en Madison, que no estaba relacionado con este trabajo. «Se dieron cuenta de que la aparición de la tecnología superconductora 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 cambio potencial para el programa internacional de fusión».

El diseño del SPARC lograría un rendimiento de fusión comparable al esperado en el tokamak ITER, el proyecto internacional que se construye en Francia, que es mucho más grande. 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.

El proyecto SPARC se lanzó 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 artículos representa la primera vez que la base física subyacente de la máquina SPARC se describe en detalle en publicaciones revisadas por pares. Los siete artículos exploran las áreas específicas de la física que debían refinarse aún más y que aún requieren una investigación en curso para precisar los elementos finales del diseño de la máquina y los procedimientos operativos y pruebas que estarán involucradas a medida que avanza el trabajo hacia la planta de energía. .

Los artículos también describen el uso de cálculos y herramientas de simulación para el diseño de SPARC, que se han probado con muchos experimentos en todo el mundo. Los autores utilizaron simulaciones de vanguardia, ejecutadas en potentes supercomputadoras, que se han desarrollado para ayudar al diseño de ITER. El gran equipo multiinstitucional de investigadores representado en el nuevo conjunto de artículos tenía como objetivo traer las mejores herramientas de consenso al diseño de la máquina SPARC para aumentar la confianza de que logrará su misión.

El análisis realizado hasta ahora muestra que la producción de energía de fusión planificada del tokamak SPARC debería poder cumplir con las especificaciones de diseño con margen de sobra. Está diseñado para lograr un factor Q, un parámetro clave que denota la eficiencia de un plasma de fusión, de al menos 2, lo que esencialmente significa que se produce 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 produce más energía de la que consume.

Los cálculos en este punto muestran que SPARC en realidad podría lograr una relación Q de 10 o más, según los nuevos documentos. Si bien Greenwald advierte que el equipo quiere tener cuidado de no hacer promesas excesivas, y queda mucho trabajo por hacer, los resultados hasta ahora indican que el proyecto al menos logrará sus objetivos, y específicamente cumplirá su objetivo clave de producir un plasma ardiente, en el que el yo -el calentamiento domina 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 bajo nuevas pautas operativas.

En general, “seguimos apuntando a que la construcción comience aproximadamente en junio del 21”, dice Greenwald. “El esfuerzo de la física está bien integrado con el diseño de ingeniería. Lo que estamos tratando de hacer es poner el proyecto en la base física más firme posible, de modo que estemos seguros de cómo funcionará, y luego brindar orientación y responder preguntas para el diseño de ingeniería a medida que avanza «.

Muchos de los detalles todavía se están trabajando en el diseño de la máquina, cubriendo las mejores formas de introducir energía y combustible en el dispositivo, desconectar la energía, lidiar con cualquier transitorio térmico o de potencia repentino, y cómo y dónde medir parámetros clave para controlar el funcionamiento de la máquina.

Hasta ahora, solo ha habido cambios menores en el diseño general. El diámetro del tokamak se ha incrementado en aproximadamente un 12 por ciento, pero poco más ha cambiado, dice Greenwald. “Siempre existe la cuestión de un poco más de esto, un poco menos de eso, y hay muchas cosas que influyen en eso, problemas 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 física tal como está hoy». Aunque los miembros del equipo han discutido muchos aspectos en las reuniones de física, «esta es nuestra primera oportunidad de contar nuestra historia, hacer que se revise, obtener el sello de aprobación y difundirla en la comunidad».

Greenwald dice que todavía hay mucho por aprender sobre la física de la combustión de plasmas, y una vez que esta máquina esté en funcionamiento, se puede obtener información clave que ayudará a allanar el camino hacia los dispositivos de fusión comerciales que producen energía, cuyo combustible, el hidrógeno isótopos deuterio y tritio: pueden estar disponibles en suministros prácticamente ilimitados.

Los detalles del plasma ardiendo «son realmente nuevos e importantes», dice. «La gran montaña que tenemos que superar es comprender este estado de autocalentamiento de un plasma».

«El análisis presentado en estos artículos brindará a la comunidad mundial de la fusión la oportunidad de comprender mejor la base física del dispositivo SPARC y evaluar por sí mismo los desafíos restantes que deben resolverse», dice George Tynan, profesor de mecánica y ingeniería aeroespacial en la Universidad de California en San Diego, que no estaba relacionada con este trabajo. «Su publicación marca un hito importante en el camino hacia el estudio de la quema de plasmas y la primera demostración de la producción de energía neta a partir de la fusión controlada, y aplaudo a los autores por poner este trabajo a la vista de todos».

En general, dice Greenwald, el trabajo que se ha incluido en el análisis presentado en este paquete de artículos “ayuda a validar nuestra confianza en que lograremos la misión. No nos hemos topado con nada en el que digamos, ‘oh, esto es una predicción de que no llegaremos a donde queremos’. En resumen, dice, “una de las conclusiones es que las cosas siguen encaminadas. Creemos que va a funcionar».