Noticias Actualidad en procesos industriales

Dele visibilidad a su trayectoria académica

Participe en la convocatoria de trabajos inéditos de Virtual Pro.

Publicar Ahora

2020-10-14Tecnología de superconductores para una fusión más pequeña y más rápida

MIT |La demostración de MIT-Commonwealth Fusion Systems del nuevo cable superconductor es un paso clave en el camino de campo alto hacia la fusión compacta.

Los científicos han buscado durante mucho tiempo aprovechar la fusión como una fuente de energía inagotable y libre de carbono. En los últimos años, la innovadora tecnología de superconductores de alta temperatura (HTS) generó una nueva visión para lograr energía de fusión práctica. Este enfoque, conocido como el camino de alto campo hacia la fusión, tiene como objetivo generar fusión en dispositivos compactos en una escala de tiempo más corta y con un costo menor que los enfoques alternativos.

Sin embargo, un desafío técnico clave para hacer realidad esta visión ha sido lograr que los superconductores HTS funcionen de manera integrada en el desarrollo de nuevos imanes superconductores de alto rendimiento, que permitirán campos magnéticos más altos que las generaciones anteriores de imanes, y son fundamentales para confinando y controlando las reacciones plasmáticas.

Ahora, un equipo dirigido por el Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT y la empresa derivada Commonwealth Fusion Systems (CFS) del MIT, ha desarrollado y probado exhaustivamente una tecnología de cable HTS que se puede escalar y diseñar en imanes de alto rendimiento. La investigación del equipo se publicó el 7 de octubre en la revista Superconductor Science and Technology. Los investigadores incluyeron al profesor asistente del MIT e investigador principal Zachary Hartwig; El subdirector de ingeniería de PSFC, Rui F. Vieira, y otro personal técnico y de ingeniería clave de PSFC; Brandon Sorbom PhD´17, director científico de CFS, y otros ingenieros de CFS; y científicos del CERN en Ginebra, Suiza, y del Instituto de Investigación Robinson de la Universidad Victoria de Wellington, Nueva Zelanda.

Este desarrollo sigue a un impulso reciente a la vía de campo alto, cuando 47 investigadores de 12 instituciones publicaron siete artículos en el Journal of Plasma Physics, que muestran que un dispositivo de fusión de campo alto, llamado SPARC, construido con tales imanes produciría energía neta. más energía de la que consume, algo nunca antes demostrado.

“La tecnología de cable para SPARC es una pieza importante del rompecabezas mientras trabajamos para acelerar el cronograma para lograr la energía de fusión”, dice Hartwig, profesor asistente de ciencia e ingeniería nuclear y líder del equipo de investigación del PSFC. "Si tenemos éxito en lo que estamos haciendo y en otras tecnologías, la energía de fusión comenzará a marcar la diferencia en la mitigación del cambio climático, no en 100 años, sino en 10 años".

Un super cable

La tecnología innovadora descrita en el artículo es un cable superconductor que conduce electricidad sin resistencia ni generación de calor y que no se degrada en condiciones mecánicas, eléctricas y térmicas extremas. Con la marca VIPER (un acrónimo que significa impregnado a presión al vacío, aislado, parcialmente transpuesto, extruido y laminado), consta de cintas delgadas de acero producidas comercialmente recubiertas con compuesto HTS (itrio-bario-óxido de cobre) empaquetadas en un conjunto de componentes de cobre y acero para formar el cable. El refrigerante criogénico, como el helio supercrítico, puede fluir fácilmente a través del cable para eliminar el calor y mantener el cable frío incluso en condiciones difíciles.

“Uno de nuestros avances fue encontrar una manera de soldar la cinta HTS dentro del cable, convirtiéndola efectivamente en una estructura monolítica donde todo está conectado térmicamente”, dice Sorbom. Sin embargo, VIPER también se puede moldear en giros y vueltas, utilizando juntas para crear "casi cualquier tipo de geometría", agrega. Esto hace que el cable sea un material de construcción ideal para enrollar en bobinas capaces de generar y contener campos magnéticos de enorme fuerza, como los necesarios para hacer dispositivos de fusión sustancialmente más pequeños que los dispositivos de fusión de energía neta actualmente previstos.

Resistente y robusto

“La clave que podemos hacer con el cable VIPER es crear un campo magnético dos o tres veces más fuerte en el tamaño requerido que la generación actual de tecnología de imanes superconductores”, dice Hartwig. La magnitud del campo magnético en los tokamaks juega un papel no lineal importante en la determinación del rendimiento del plasma. Por ejemplo, la densidad de potencia de fusión escala como campo magnético a la cuarta potencia: duplicar el campo aumenta la potencia de fusión en 16 veces o, a la inversa, se puede lograr la misma potencia de salida de fusión en un dispositivo 16 veces más pequeño en volumen.

"En el desarrollo de imanes de alto campo para la fusión, los cables HTS son un ingrediente esencial, y han faltado", dice Soren Prestemon, director del Programa de Desarrollo de Imán de EE. UU. En el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que no participó en esto. investigación. "VIPER es un gran avance en el área de la arquitectura de cables, posiblemente el primer candidato que se demuestre que es viable para la fusión, y permitirá el paso crítico hacia la demostración en un reactor de fusión".

La tecnología VIPER también presenta un enfoque poderoso para un problema particular en el campo magnético superconductor, llamado extinción, “que ha aterrorizado a los ingenieros desde que comenzaron a construir imanes superconductores”, dice Hartwig. Un enfriamiento rápido es un aumento drástico de temperatura que ocurre cuando los cables fríos ya no pueden conducir corriente eléctrica sin ninguna resistencia. Cuando se produce el enfriamiento rápido, en lugar de generar calor casi nulo en el estado superconductor, la corriente eléctrica genera un calentamiento resistivo sustancial en el cable.

“El rápido aumento de temperatura puede hacer que el imán se dañe o se destruya potencialmente si no se corta la corriente eléctrica”, dice Hartwig. "Queremos evitar esta situación o, si no, al menos saberlo lo más rápido y seguro posible".

El equipo incorporó dos tipos de tecnología de fibra óptica de detección de temperatura desarrollada por colaboradores del CERN y el Instituto de Investigación Robinson. Las fibras exhibieron, por primera vez en cables HTS a gran escala y en condiciones representativas de imanes de fusión de alto campo magnético, detección sensible y de alta velocidad de cambios de temperatura a lo largo del cable para monitorear el inicio del enfriamiento.

Otro resultado clave fue la incorporación exitosa de uniones mecánicamente robustas, de baja resistencia eléctrica y de fácil fabricación entre los cables VIPER. Las juntas superconductoras son a menudo complejas, difíciles de hacer y más propensas a fallar que otras partes de un imán; VIPER fue diseñado para eliminar estos problemas. Las juntas VIPER tienen la ventaja adicional de ser desmontables, lo que significa que se pueden desmontar y reutilizar sin afectar el rendimiento.

Prestemon señala que la arquitectura innovadora del cable impacta directamente los desafíos del mundo real en la operación de los reactores de fusión del futuro. "En una instalación comercial real de producción de energía de fusión, el calor intenso y la radiación en el interior del reactor requerirán reemplazos de componentes de rutina", dice. “Poder desmontar estas uniones y volver a unirlas es un paso importante para hacer de la fusión una propuesta rentable”.

Los 12 cables VIPER que construyó el equipo de Hartwig, con una longitud de entre uno y 12 metros, se evaluaron con pruebas de flexión, miles de ciclos mecánicos repentinos de "encendido y apagado", múltiples ciclos térmicos criogénicos y docenas de eventos similares a apagados para simular el tipo de condiciones de castigo que se encuentran en los imanes de un dispositivo de fusión. El grupo completó con éxito cuatro campañas de prueba de varias semanas en cuatro meses en las instalaciones de SULTAN, un centro líder para la evaluación de cables superconductores operado por Swiss Plasma Center, afiliado a Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suiza.

“Esta tasa sin precedentes de pruebas de cables HTS en SULTAN muestra la velocidad con la que la tecnología puede ser avanzada por un equipo sobresaliente con la mentalidad de ir rápido, la voluntad de asumir riesgos y los recursos para ejecutar”, dice Hartwig. Es un sentimiento que sirve como base del proyecto SPARC.

El equipo de SPARC continúa mejorando el cable VIPER y avanza hacia el próximo hito del proyecto a mediados de 2021: “Construiremos un modelo de bobina de varias toneladas que será similar al tamaño de un imán a gran escala para SPARC, ”Dice Sorbom. Estas actividades de investigación continuarán impulsando las tecnologías de imanes fundamentales para SPARC y permitirán la demostración de la energía neta de la fusión, un logro clave que indica que la fusión es una tecnología de energía viable. “Ese será un momento decisivo para la energía de fusión”, dice Hartwig.

El financiamiento para esta investigación fue proporcionado por CFS.

MIT
Autor
MIT

Promover la investigación, las innovaciones, la enseñanza y los eventos y las personas de interés periodístico del MIT a la comunidad del campus, los medios de comunicación y el público en general, Comunicar anuncios del Instituto, Publicar noticias de la comunidad para profesores, estudiantes, personal y ex alumnos del MIT, Proporcionar servicios de medios a los miembros de la comunidad, incluido el asesoramiento sobre cómo trabajar con periodistas, Responder a consultas de los medios y solicitudes de entrevistas...

Empresas destacadas

Productos destacados