Fue un momento de tres años de fabricación, basado en una intensa investigación y trabajo de diseño: el 5 de septiembre, por primera vez, un gran electroimán superconductor de alta temperatura se incrementó hasta una intensidad de campo de 20 tesla, el campo magnético más poderoso campo de este tipo jamás creado en la Tierra. Esa demostración exitosa ayuda a resolver la mayor incertidumbre en la búsqueda para construir la primera planta de energía de fusión del mundo que pueda producir más energía de la que consume, según los líderes del proyecto en el MIT y la empresa emergente Commonwealth Fusion Systems (CFS).

Ese avance allana el camino, dicen, para la tan buscada creación de centrales eléctricas prácticas, económicas y libres de carbono que podrían contribuir de manera importante a limitar los efectos del cambio climático global.

"La fusión en muchos sentidos es la fuente de energía limpia definitiva", dice Maria Zuber, vicepresidenta de investigación del MIT y profesora de geofísica de EA Griswold. "La cantidad de energía disponible es realmente revolucionaria". El combustible utilizado para crear la energía de fusión proviene del agua y “la Tierra está llena de agua, es un recurso casi ilimitado. Solo tenemos que descubrir cómo utilizarlo ".

El desarrollo del nuevo imán se considera el mayor obstáculo tecnológico para lograrlo; su exitosa operación abre ahora la puerta a la demostración de la fusión en un laboratorio en la Tierra, lo que se ha llevado a cabo durante décadas con un progreso limitado. Con la tecnología de imanes ahora demostrada con éxito, la colaboración MIT-CFS está en camino de construir el primer dispositivo de fusión del mundo que puede crear y confinar un plasma que produce más energía de la que consume. Ese dispositivo de demostración, llamado SPARC, está previsto que se complete en 2025.

“Los desafíos de lograr la fusión son tanto técnicos como científicos”, dice Dennis Whyte, director del Plasma Science and Fusion Center del MIT, que está trabajando con CFS para desarrollar SPARC. Pero una vez que se prueba la tecnología, dice, “es una fuente de energía inagotable y libre de carbono que se puede implementar en cualquier lugar y en cualquier momento. Es realmente una fuente de energía fundamentalmente nueva ".

Whyte, quien es profesor de ingeniería de Hitachi America, dice que la demostración de esta semana representa un hito importante, al abordar las preguntas más importantes que quedan sobre la viabilidad del diseño SPARC. "Es realmente un momento decisivo, creo, en la ciencia y la tecnología de fusión", dice.

El sol en una botella

La fusión es el proceso que impulsa al sol: la fusión de dos átomos pequeños para formar uno más grande, liberando cantidades prodigiosas de energía. Pero el proceso requiere temperaturas muy superiores a las que podría soportar cualquier material sólido. Para capturar la fuente de energía del sol aquí en la Tierra, lo que se necesita es una forma de capturar y contener algo tan caliente (100.000.000 grados o más) suspendiéndolo de una manera que evite que entre en contacto con algo sólido.

Eso se hace a través de intensos campos magnéticos, que forman una especie de botella invisible para contener la sopa caliente de protones y electrones, llamada plasma. Debido a que las partículas tienen una carga eléctrica, están fuertemente controladas por los campos magnéticos, y la configuración más utilizada para contenerlas es un dispositivo en forma de rosquilla llamado tokamak. La mayoría de estos dispositivos han producido sus campos magnéticos utilizando electroimanes convencionales hechos de cobre, pero la última y más grande versión en construcción en Francia, llamada ITER, utiliza lo que se conoce como superconductores de baja temperatura.

La principal innovación en el diseño de fusión MIT-CFS es el uso de superconductores de alta temperatura, que permiten un campo magnético mucho más fuerte en un espacio más pequeño. Este diseño fue posible gracias a un nuevo tipo de material superconductor que estuvo disponible comercialmente hace unos años. La idea surgió inicialmente como un proyecto de clase en una clase de ingeniería nuclear impartida por Whyte. La idea parecía tan prometedora que continuó desarrollándose en las siguientes iteraciones de esa clase, lo que llevó al concepto de diseño de la planta de energía ARC a principios de 2015. SPARC, diseñado para tener aproximadamente la mitad del tamaño de ARC, es un banco de pruebas para demostrar la concepto antes de la construcción de la planta de producción de energía de tamaño completo.

Hasta ahora, la única forma de lograr los campos magnéticos colosalmente poderosos necesarios para crear una "botella" magnética capaz de contener plasma calentado hasta cientos de millones de grados era hacerlos cada vez más grandes. Pero el nuevo material superconductor de alta temperatura, fabricado en forma de cinta plana con forma de cinta, permite lograr un campo magnético más alto en un dispositivo más pequeño, igualando el rendimiento que se lograría en un aparato 40 veces más grande en volumen utilizando imanes superconductores convencionales de baja temperatura. Ese salto en potencia versus tamaño es el elemento clave en el diseño revolucionario de ARC.

El uso de los nuevos imanes superconductores de alta temperatura hace posible aplicar décadas de conocimiento experimental obtenido de la operación de experimentos de tokamak, incluida la propia serie Alcator del MIT. El nuevo enfoque, dirigido por Zach Hartwig, investigador principal del MIT y profesor asistente de desarrollo de carrera Robert N. Noyce de ciencia e ingeniería nuclear, utiliza un diseño bien conocido, pero reduce todo a aproximadamente la mitad del tamaño lineal y aún logra lo mismo. condiciones operativas debido al campo magnético más alto.

Una serie de artículos científicos publicados el año pasado describieron la base física y, mediante simulación, confirmaron la viabilidad del nuevo dispositivo de fusión. Los artículos mostraron que, si los imanes funcionaban como se esperaba, todo el sistema de fusión debería producir una potencia neta, por primera vez en décadas de investigación sobre la fusión.

Martin Greenwald, subdirector e investigador científico senior en el PSFC, dice que a diferencia de otros diseños para experimentos de fusión, “el nicho que estábamos llenando era usar la física de plasma convencional y los diseños e ingeniería de tokamak convencionales, pero traemos este nuevo imán tecnología. Por lo tanto, no necesitábamos innovación en media docena de áreas diferentes. Simplemente innovaríamos en el imán y luego aplicaríamos la base de conocimientos de lo que se ha aprendido durante las últimas décadas ".

Esa combinación de principios de diseño científicamente establecidos y una fuerza de campo magnético que cambia el juego es lo que hace posible lograr una planta que podría ser económicamente viable y desarrollada en una vía rápida. "Es un gran momento", dice Bob Mumgaard, director ejecutivo de CFS. “Ahora tenemos una plataforma que está científicamente muy avanzada, debido a las décadas de investigación en estas máquinas, y también comercialmente muy interesante. Lo que hace es permitirnos construir dispositivos más rápido, más pequeños y a menor costo ”, dice sobre la exitosa demostración del imán.

Prueba del concepto

Hacer realidad ese nuevo concepto de imán requirió tres años de trabajo intensivo en el diseño, el establecimiento de cadenas de suministro y la elaboración de métodos de fabricación para imanes que eventualmente podrían necesitar ser producidos por miles.

“Construimos un imán superconductor, el primero en su clase. Se requirió mucho trabajo para crear procesos y equipos de fabricación únicos. Como resultado, ahora estamos bien preparados para acelerar la producción de SPARC ”, dice Joy Dunn, jefa de operaciones de CFS. "Comenzamos con un modelo de física y un diseño CAD, y trabajamos a través de muchos desarrollos y prototipos para convertir un diseño en papel en este imán físico real". Eso implicó la construcción de capacidades de fabricación e instalaciones de prueba, incluido un proceso iterativo con múltiples proveedores de la cinta superconductora, para ayudarlos a alcanzar la capacidad de producir material que cumpliera con las especificaciones necesarias, y para el cual CFS es ahora abrumadoramente el mayor usuario del mundo.

Trabajaron con dos posibles diseños de imanes en paralelo, y ambos terminaron cumpliendo con los requisitos de diseño, dice. "Realmente se redujo a cuál revolucionaría la forma en que hacemos imanes superconductores y cuál sería más fácil de construir". El diseño que adoptaron se destacó claramente en ese sentido, dice.

En esta prueba, el nuevo imán se encendió gradualmente en una serie de pasos hasta alcanzar el objetivo de un campo magnético de 20 tesla, la fuerza de campo más alta jamás obtenida para un imán de fusión superconductor de alta temperatura. El imán está compuesto por 16 placas apiladas juntas, cada una de las cuales por sí misma sería el imán superconductor de alta temperatura más poderoso del mundo.

"Hace tres años anunciamos un plan", dice Mumgaard, "para construir un imán de 20 teslas, que es lo que necesitaremos para las futuras máquinas de fusión". Ese objetivo ahora se ha logrado, según lo programado, incluso con la pandemia, dice.

Citando la serie de artículos sobre física publicados el año pasado, Brandon Sorbom, director científico de CFS, dice que “básicamente los artículos concluyen que si construimos el imán, toda la física funcionará en SPARC. Entonces, esta demostración responde a la pregunta: ¿Pueden construir el imán? ¡Es un momento muy emocionante! Es un gran hito ".

El siguiente paso será construir SPARC, una versión a menor escala de la planta de energía ARC planeada. La operación exitosa de SPARC demostrará que una planta de energía de fusión comercial a gran escala es práctica, despejando el camino para un diseño rápido y la construcción de ese dispositivo pionero que luego puede avanzar a toda velocidad.

Zuber dice que “ahora soy genuinamente optimista de que SPARC puede lograr energía neta positiva, basada en el desempeño demostrado de los imanes. El siguiente paso es escalar, construir una planta de energía real. Todavía quedan muchos desafíos por delante, entre los que destaca el desarrollo de un diseño que permita una operación confiable y sostenida. Y al darse cuenta de que el objetivo aquí es la comercialización, otro gran desafío será económico. ¿Cómo diseña estas plantas de energía para que sea rentable construirlas e implementarlas? "

Algún día, en un futuro esperado, cuando haya miles de plantas de fusión alimentando redes eléctricas limpias en todo el mundo, Zuber dice: “Creo que vamos a mirar atrás y pensar en cómo llegamos allí, y creo que la demostración de la tecnología de imanes, para mí, es el momento en que creí que, guau, realmente podemos hacer esto ".

La creación exitosa de un dispositivo de fusión que produzca energía sería un gran logro científico, señala Zuber. Pero ese no es el punto principal. “Ninguno de nosotros está tratando de ganar trofeos en este momento. Estamos tratando de mantener el planeta habitable ".

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MIT

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