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2021-04-30En curso para crear una planta de energía de fusión

MIT |Cómo un curso de ingeniería del MIT se convirtió en una incubadora de innovaciones en el diseño de fusión.

No hay un genio solitario que resuelva todos los problemas.

Dennis Whyte, director del Centro de Ciencia y Fusión del Plasma (PSFC), reflexiona sobre una creencia que guía su clase de ciencia e ingeniería nuclear 22.63 (Principios de Ingeniería de la Fusión). Recientemente ha visto a sus alumnos, trabajando en equipos, hacer sus presentaciones finales sobre cómo utilizar la tecnología de fusión para crear combustible sin carbono para los buques de transporte. Desde que se hizo cargo de la asignatura hace más de una década, Whyte se ha alejado de las clases estándar, incitando a la clase a trabajar colectivamente en la búsqueda de soluciones a problemas del "mundo real". En los últimos años, el curso, y su enfoque colaborativo del diseño, ha sido fundamental para orientar el futuro real de la fusión en el PSFC.

Durante décadas, los investigadores han explorado la fusión, la reacción que impulsa el sol, como una fuente potencial de energía prácticamente infinita y libre de carbono en la Tierra. El MIT ha estudiado el proceso con una serie de tokamaks "Alcator", máquinas compactas que utilizan campos magnéticos elevados para mantener el plasma caliente en el interior y alejado de las paredes de una vasija de vacío con forma de rosquilla el tiempo suficiente para que se produzca la fusión. Pero entender cómo afecta el plasma a los materiales de los tokamaks, y hacer que el plasma sea lo suficientemente denso y caliente para mantener las reacciones de fusión, ha sido una tarea difícil.

Incubación de máquinas de fusión y equipos de diseño

La segunda vez que impartió el curso, Whyte estaba preparado para que sus alumnos abordaran los problemas relacionados con el funcionamiento del tokamak de energía neta, necesario para producir una energía sustancial y económica. Estos problemas no podían explorarse con el tokamak Alcator C-Mod del PSFC, que mantenía la fusión sólo en pulsos breves, pero podían ser estudiados por una clase encargada de diseñar un dispositivo de fusión que pudiera funcionar las 24 horas del día.

Por aquel entonces, Whyte se enteró de la existencia de la cinta superconductora de alta temperatura (HTS), una nueva clase de material superconductor que permitía crear campos magnéticos más elevados para confinar eficazmente el plasma. Tenía el potencial de superar el rendimiento de la generación anterior de superconductores, como el niobio-estaño, que se utilizaba en el ITER, el experimento de fusión de plasma ardiente que se estaba construyendo en Francia. ¿Podría la clase diseñar una máquina que respondiera a las preguntas sobre el funcionamiento en estado estacionario, aprovechando al mismo tiempo este producto revolucionario? Además, ¿qué pasaría si los componentes de la máquina pudieran extraerse y sustituirse o modificarse fácilmente, haciendo que el tokamak fuera flexible para diferentes experimentos?

Lo que la clase concibió fue un tokamak llamado "Vulcan". Whyte califica los esfuerzos de sus estudiantes de "reveladores", lo suficientemente originales como para producir cinco artículos revisados por pares para Fusion Engineering and Design. Aunque el diseño del tokamak nunca se construyó directamente, su exploración de las bobinas magnéticas desmontables, hechas con la nueva cinta HTS, sugirió un camino para un futuro de fusión.

Dos años más tarde, Whyte inició a sus estudiantes en ese camino. Se preguntó: "¿Qué pasaría en un dispositivo en el que intentáramos fabricar 500 megavatios de potencia de fusión -idéntico a lo que hace el ITER- pero utilizáramos esta nueva tecnología HTS?".

Como los equipos de estudiantes trabajan en aspectos separados del proyecto y se coordinan con otros grupos para crear un diseño integrado, Whyte decidió hacer que el entorno de la clase fuera aún más colaborativo. Invitó a los expertos en fusión del PSFC a contribuir. En este entorno de "enseñanza comunitaria colectiva" los estudiantes ampliaron la investigación de la clase anterior, creando la base de los imanes HTS y las bobinas desmontables.

Como antes, las innovaciones exploradas dieron lugar a un artículo publicado. El autor principal fue el entonces estudiante de grado Brandon Sorbom PhD ´17. Presentó a la comunidad de fusión el ARC, descrito en el título del artículo como "una instalación compacta de ciencia nuclear de fusión de alto campo y una planta de energía de demostración con imanes desmontables". Dado que el ARC era un proyecto demasiado grande para considerar su construcción inmediata, Whyte y algunos de sus postdoctorales y estudiantes acabaron pensando en cómo podrían estudiar los elementos más importantes del diseño del ARC en un dispositivo más pequeño.

CEste experimento compacto de energía de fusión neta de alto campo se ha convertido en una colaboración entre el MIT y Commonwealth Fusion Systems (CFS), una startup con sede en Cambridge, Massachusetts, sembrada con talento del 22.63. Bob Mumgaard y Dan Brunner, que ayudaron a diseñar Vulcan, están en la dirección de CFS, al igual que Brandon Sorbom. El profesor adjunto del MIT NSE, Zach Hartwig, que participó como estudiante en el proyecto Vulcan, también ha seguido involucrado en el proyecto y los desarrollos de SPARC. 

La cuestión económica

El curso se había convertido en una incubadora de investigadores interesados en utilizar la tecnología más avanzada para reimaginar lo rápido que sería posible una central de fusión. Ayudó a redirigir el enfoque del PSFC desde Alcator C-Mod, que terminó de funcionar en 2016, hacia SPARC y ARC, y la innovación tecnológica. En el proceso, el PSFC, cuyo programa de fusión había sido financiado en gran parte por el Departamento de Energía de Estados Unidos, se dio cuenta de que también tendría que ampliar su patrocinio de la investigación a la financiación privada.

Las conversaciones con el sector privado pusieron de manifiesto la necesidad no sólo de la viabilidad técnica, sino de hacer de la fusión un producto atractivo desde el punto de vista económico. Esto inspiró a Whyte a añadir una restricción económica al proyecto de la clase 2020 22.63, señalando que "cambia la forma de pensar al atacar el diseño". En consecuencia, amplió el equipo docente para incluir a Eric Ingersoll, fundador y director general de LucidCatalyst y TerraPraxis. Juntos imaginaron una aplicación y un mercado novedosos que podrían utilizar la fusión como fuente de energía libre de carbono: el transporte marítimo internacional.

La naturaleza virtual del curso de este año ofreció la oportunidad única de que varios estudiantes, postdoctorales y profesores de la Universidad de Princeton se unieran a la clase como voluntarios, con la intención de crear con el tiempo un curso de estructura similar en Princeton. Se integraron con los estudiantes e instructores del MIT en cuatro equipos que trabajaron de forma interdependiente para diseñar un método de generación de combustible de amoníaco a bordo para los motores de los barcos. El dispositivo fue bautizado como "ARCH", con la H de hidrógeno. Al introducir innovaciones en el diseño de la fusión, centradas sobre todo en la mejora de los materiales y la eliminación del calor, el equipo demostró que podía cumplir los objetivos económicos.

Para Rachel Bielajew, estudiante de posgrado del MIT que forma parte del equipo de integración de sistemas, centrarse en la economía del proyecto supuso una experiencia muy diferente a la de sus otras clases y a la de sus investigaciones cotidianas.

"Fue muy motivador tener un objetivo económico que impulsara las decisiones de diseño", dice. "La clase también me reforzó que el camino hacia el éxito de los reactores de fusión es multidisciplinar y que hay importantes investigaciones que hacer en muchos campos".

La trayectoria docente de Whyte ha sido tan transformadora para él como para sus alumnos.

"Si das a los jóvenes el tiempo, las herramientas y el espacio imaginativo para trabajar juntos hacia objetivos significativos, es difícil imaginar una fuerza más poderosa", dice. "La clase y la innovación proporcionada por el esfuerzo colectivo de los estudiantes han cambiado mi visión del mundo y, creo, las perspectivas de la energía de fusión".

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