Nuevos superimanes ya cumplen los requisitos para la energía de fusión
Un estudio detallado de los imanes que en 2021 batieron un récord de intensidad de campo magnético confirma que cumplen con los requisitos de una planta de energía de fusión compacta y económica.
El 5 de septiembre de 2021, los ingenieros lograron un hito importante en los laboratorios del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma (PSFC) del MIT, cuando un nuevo tipo de imán, fabricado a partir de material superconductor de alta temperatura, logró un récord mundial de intensidad de campo magnético de 20 teslas para un imán de gran escala. Esa es la intensidad necesaria para construir una planta de energía de fusión que se espera produzca una producción neta de energía y potencialmente marque el comienzo de una era de producción de energía prácticamente ilimitada.
La prueba fue inmediatamente declarada un éxito, ya que cumplió todos los criterios establecidos para el diseño del nuevo dispositivo de fusión, denominado SPARC, cuyos imanes son la tecnología clave.
Durante los meses siguientes, el equipo desmontó e inspeccionó los componentes del imán, examinó minuciosamente y analizó los datos de cientos de instrumentos que registraron detalles de las pruebas y realizó dos pruebas adicionales en el mismo imán, llevándolo finalmente a su punto de ruptura para conocer los detalles de cualquier posible modo de falla.
Todo este trabajo ha culminado ahora en un informe detallado elaborado por investigadores del PSFC y la empresa derivada del MIT, Commonwealth Fusion Systems (CFS), publicado en una colección de seis artículos revisados por pares en una edición especial de la edición de marzo de IEEE Transactions on Applied Superconductivity.
En conjunto, los artículos describen el diseño y la fabricación del imán y el equipo de diagnóstico necesario para evaluar su desempeño, así como las lecciones aprendidas del proceso. En general, descubrió el equipo, las predicciones y el modelado por computadora fueron acertados, verificando que los elementos de diseño únicos del imán podrían servir como base para una planta de energía de fusión.
Antes de la demostración de 2021, los mejores imanes superconductores disponibles eran lo suficientemente potentes como para lograr potencialmente energía de fusión, pero sólo en tamaños y costos que nunca podrían ser prácticos o económicamente viables. Luego, cuando las pruebas demostraron la viabilidad de un imán tan fuerte en un tamaño muy reducido, "de la noche a la mañana, básicamente cambió el costo por vatio de un reactor de fusión en un factor de casi 40 en un día", dice en un comunicado Dennis Whyte, profesor de ingeniería en el MIT y que recientemente cesó como director del PSFC.
"Ahora la fusión tiene una oportunidad", añade Whyte. Los Tokamaks, el diseño más utilizado para dispositivos de fusión experimentales, "tienen la posibilidad, en mi opinión, de ser económicos porque tienen un cambio cuántico en su capacidad, con las reglas conocidas de la física de confinamiento, de poder reducir en gran medida la tamaño y el costo de los objetos que harían posible la fusión."
La fusión, el proceso de combinar átomos ligeros para formar otros más pesados, alimenta el Sol y las estrellas, pero aprovechar ese proceso en la Tierra ha demostrado ser un desafío enorme, con décadas de arduo trabajo y muchos miles de millones de dólares gastados en dispositivos experimentales.
El objetivo largamente buscado, pero nunca alcanzado todavía, es construir una planta de energía de fusión que produzca más energía de la que consuma. Una central de este tipo podría producir electricidad sin emitir gases de efecto invernadero durante su funcionamiento y generar muy pocos residuos radiactivos. El combustible de fusión, una forma de hidrógeno que puede derivarse del agua de mar, es prácticamente ilimitado.
Pero para que funcione es necesario comprimir el combustible a temperaturas y presiones extraordinariamente altas, y dado que ningún material conocido podría soportar tales temperaturas, el combustible debe mantenerse en su lugar mediante campos magnéticos extremadamente potentes. Para producir campos tan fuertes se necesitan imanes superconductores, pero todos los imanes de fusión anteriores se han fabricado con un material superconductor que requiere temperaturas gélidas de unos 4 grados sobre el cero absoluto (4 kelvin o -270 °C).
En los últimos años, se ha añadido a los imanes de fusión un material más nuevo, denominado REBCO (óxido de cobre y bario, tierras raras), que les permite funcionar a 20 kelvin, una temperatura que, a pesar de ser sólo 16 kelvin más cálida, aporta importantes ventajas en términos de propiedades de materiales e ingeniería práctica.
Aprovechar este nuevo material superconductor de mayor temperatura no fue sólo cuestión de sustituirlo en los diseños de imanes existentes. En cambio, "fue una reelaboración desde cero de casi todos los principios que se utilizan para construir imanes superconductores", dice Whyte. El nuevo material REBCO es "extraordinariamente diferente a la generación anterior de superconductores. No sólo vas a adaptarte y reemplazar, sino que vas a innovar desde cero". Los nuevos artículos en Transactions on Applied Superconductivity describen los detalles de ese proceso de rediseño, ahora que la protección de patente está vigente.
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