Científicos apuestan por un diseño esférico para los reactores de fusión

Entre los mayores desafíos para la energía de fusión se encuentra el mejor diseño de la instalación magnética, que proporcionará los siguientes pasos en el desarrollo de los reactores de fusión. Entre los principales candidatos incluyen los tokamak esféricos, ima maquinaria compacta que tiene forma de una manzanas sin corazón, en comparación con la forma de rosquilla de los tokamak convencionales.

El diseño esférico produce plasmas de alta presión - ingredientes esenciales para las reacciones de fusión - con campos magnéticos relativamente de bajo costo y eficaces.

Un siguiente paso posible es un dispositivo llamado Fusion Nuclear Science Facility (FNSF) que podrían derivar los materiales y componentes para un reactor de fusión. Tal dispositivo podría preceder a una planta piloto que demuestre la capacidad de producir energía neta.

Los tokamak esféricos podría ser modelos excelentes para un FNSF, según un artículo publicado en la revista Nuclear Fusion. Los dos tokamak esféricos más avanzados en el mundo hoy en día son el recientemente completado National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), en Laboratorio de Física del Plasma (LPP) de Princeton (Estados Unidos) y el Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) que está siendo actualizado en el Centro Culham de energía de fusión en el Reino Unido.

"Estamos abriendo nuevas opciones para las plantas del futuro", ha afirmado el director del programa para el NSTX-T y autor principal del artículo, Jonathan Menard.

El documento de 43 páginas apoya el diseño esférico para una instalación combinada de próxima generación: un FNSF que podría convertirse en una planta piloto y servir como precursor para un reactor comercial de fusión. Una instalación de este tipo podría proporcionar un camino liderado desde el ITER, el tokamak internacional en construcción en Francia para demostrar la viabilidad de la energía de fusión como fuente de energía de uso comercial.

Una cuestión clave para este diseño esférico es el tamaño del agujero en el centro del tokamak que sostiene y da forma al plasma. En los tokamaks esféricos, este orificio puede ser la mitad del tamaño del agujero de los tokamaks convencionales. Estas diferencias, que se reflejan en la forma de los campos magnéticos que confinan el plasma supercaliente tienen un efecto profundo sobre cómo se comporta el plasma.

El primer paso para un dispositivo de nueva generación sería el FNSF. Pondría a prueba los materiales que deben soportar el bombardeo de neutrones que las reacciones de fusión producen, mientras generan la cantidad suficiente de su propio combustible de fusión. Según el documento, los últimos estudios han identificado por primera vez diseños integrados que estaría a la altura.

Estas capacidades integradas incluyen un sistema de cobertura fiable capaz de reproducir tritio, un isótopo poco común del hidrógeno que se fusiona con el deuterio, otro isótopo del átomo, para generar las reacciones de fusión. El diseño esférico podría producir aproximadamente un isótopo de tritio por cada uno consumido en la reacción, produciendo autosuficiencia de tritio.

Otra capacidad sería una configuración longitudinal del campo magnético vientos que descarga el calor del tokamak. Esta configuración, llamada 'divertor' reduciría la cantidad de calor que podría golpear y causar daños a la pared interior del tokamak.

Y una tercera capacidad, un esquema de servicio vertical en el que el imán central y las estructuras de cobertura que reproducen el tritio pueden ser retiradas independientemente del tokamak para la instalación, mantenimiento y reparación. El mantenimiento de estas instalaciones nucleares complejas representa un desafío de diseño importante. Una vez que el tokamak funcione con combustible de fusión, este servicio se debe hacer con robots de manipulación a distancia; el nuevo documento describe cómo esto se puede lograr.

Para el uso de planta piloto, bobinas superconductoras que operan a alta temperatura reemplazarían a las bobinas de cobre en el FNSF para reducir la pérdida de energía. La planta generaría una pequeña cantidad de electricidad neta en una instalación tan compacta como sea posible, y así avanzar hacia una planta de fusión nuclear comercial.

"La razón principal por la que investigamos los tokamak esféricos es encontrar una manera de producir la fusión a un costo mucho menor de la que los tokamak convencionales requieren", ha señalado el director ejecutivo recién designado por la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido y líder del programa de fusión por confinamiento magnético en el Centro de Ciencia Culham, Ian Chapman.