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Un proyecto diseñado por el MIT logra un gran avance hacia la energía de fusión
El nuevo imán superconductor bate récords de intensidad de campo magnético, allanando el camino hacia una energía práctica, comercial y libre de carbono.
Ha sido un momento que ha tardado tres años en producirse, basado en un intenso trabajo de investigación y diseño: El 5 de septiembre, por primera vez, un gran electroimán superconductor de alta temperatura alcanzó una intensidad de campo de 20 teslas, el campo magnético más potente de su clase jamás creado en la Tierra. Según los responsables del proyecto en el MIT y en la empresa Commonwealth Fusion Systems (CFS), este éxito ayuda a resolver la mayor incertidumbre en la búsqueda de la primera central de fusión del mundo que pueda producir más energía de la que consume.
Este avance allana el camino, dicen, para la tan ansiada creación de centrales eléctricas prácticas, baratas y sin emisiones de carbono que podrían contribuir en gran medida a limitar los efectos del cambio climático global.
"En muchos sentidos, la fusión es la fuente de energía limpia definitiva", afirma Maria Zuber, vicepresidenta de investigación del MIT y profesora de geofísica E. A. Griswold. "La cantidad de energía disponible es realmente revolucionaria". El combustible utilizado para crear energía de fusión procede del agua, y "la Tierra está llena de agua: es un recurso casi ilimitado. Sólo tenemos que averiguar cómo utilizarla".
El desarrollo del nuevo imán se considera el mayor obstáculo tecnológico para conseguirlo; su funcionamiento satisfactorio abre ahora la puerta a la demostración de la fusión en un laboratorio en la Tierra, que se ha perseguido durante décadas con un progreso limitado. Una vez demostrada con éxito la tecnología del imán, la colaboración entre el MIT y el CFS está en camino de construir el primer dispositivo de fusión del mundo capaz de crear y confinar un plasma que produce más energía de la que consume. Este dispositivo de demostración, denominado SPARC, está previsto que se complete en 2025.
"Los retos para hacer realidad la fusión son tanto técnicos como científicos", afirma Dennis Whyte, director del Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT, que colabora con el CFS en el desarrollo del SPARC. Pero una vez que la tecnología esté probada, dice, "es una fuente de energía inagotable y libre de carbono que se puede desplegar en cualquier lugar y en cualquier momento. Es realmente una fuente de energía fundamentalmente nueva".
Whyte, que es el profesor de ingeniería de Hitachi America, dice que la demostración de esta semana representa un hito importante, ya que aborda los mayores interrogantes que quedan sobre la viabilidad del diseño del SPARC. "Creo que es un momento decisivo en la ciencia y la tecnología de la fusión", afirma.
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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 de grados o más- suspendiéndolo de forma que no entre en contacto con nada sólido.
Esto se consigue mediante intensos campos magnéticos, que forman una especie de botella invisible para contener la sopa caliente de protones y electrones, llamada plasma. Como las partículas tienen carga eléctrica, están fuertemente controladas por los campos magnéticos, y la configuración más utilizada para contenerlas es un dispositivo con 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 mayor versión que se está construyendo en Francia, llamada ITER, utiliza lo que se conoce como superconductores de baja temperatura.
La principal innovación del diseño de fusión del MIT-CFS es el uso de superconductores de alta temperatura, que permiten un campo magnético mucho más intenso en un espacio más reducido. Este diseño fue posible gracias a un nuevo tipo de material superconductor que se comercializó hace unos años. La idea surgió inicialmente como un proyecto de clase en un curso de ingeniería nuclear impartido por Whyte. La idea parecía tan prometedora que siguió desarrollándose en las siguientes iteraciones de esa clase, lo que llevó al concepto de diseño de la central eléctrica ARC a principios de 2015. SPARC, diseñada para tener aproximadamente la mitad del tamaño de ARC, es un banco de pruebas para probar el concepto antes de la construcción de la planta de tamaño completo que produzca energía.
Hasta ahora, la única manera de conseguir los campos magnéticos colosalmente potentes necesarios para crear una "botella" magnética capaz de contener plasma calentado a 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, permite conseguir un campo magnético mayor en un dispositivo más pequeño, igualando el rendimiento que se conseguiría en un aparato 40 veces mayor en volumen utilizando imanes superconductores de baja temperatura convencionales. Ese salto en potencia frente a tamaño es el elemento clave del revolucionario diseño de ARC.
El uso de los nuevos imanes superconductores de alta temperatura permite aplicar décadas de conocimientos experimentales adquiridos en el funcionamiento de los experimentos de tokamak, incluida la propia serie Alcator del MIT. El nuevo enfoque, dirigido por Zach Hartwig, investigador principal del MIT y Profesor Adjunto de Desarrollo de Carrera de Ciencia e Ingeniería Nuclear Robert N. Noyce, utiliza un diseño bien conocido pero lo reduce todo a la mitad del tamaño lineal y sigue logrando las mismas condiciones de funcionamiento gracias al mayor campo magnético.
Una serie de artículos científicos publicados el año pasado esbozaron la base física y, mediante simulación, confirmaron la viabilidad del nuevo dispositivo de fusión. Los documentos mostraban que, si los imanes funcionaban como se esperaba, todo el sistema de fusión debería producir efectivamente una potencia neta, por primera vez en décadas de investigación sobre la fusión.
Martin Greenwald, director adjunto y científico investigador principal del PSFC, afirma que, a diferencia de otros diseños de experimentos de fusión, "el nicho que estábamos llenando era el de utilizar la física del plasma convencional y los diseños e ingeniería convencionales de los tokamak, pero aportando esta nueva tecnología de imanes. Por tanto, no necesitábamos innovar en media docena de áreas diferentes. Nos limitaríamos a innovar en el imán, y luego aplicaríamos la base de conocimientos de lo aprendido en las últimas décadas".
Esa combinación de principios de diseño científicamente establecidos y una fuerza de campo magnético que cambia las reglas del juego es lo que permite conseguir una planta que podría ser económicamente viable y desarrollarse por la vía rápida. "Es un gran momento", dice Bob Mumgaard, director general de CFS. "Ahora tenemos una plataforma que está muy avanzada desde el punto de vista científico, debido a las décadas de investigación sobre estas máquinas, y también es muy interesante desde el punto de vista comercial. Lo que hace es permitirnos construir dispositivos más rápidos, más pequeños y a menor coste", dice sobre la exitosa demostración del imán.
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Prueba del concepto
Llevar este nuevo concepto de imán a la realidad requirió tres años de intenso trabajo de diseño, establecimiento de cadenas de suministro y elaboración de métodos de fabricación de imanes que, con el tiempo, podrían tener que producirse por miles.
"Construimos un imán superconductor, el primero de su clase. Ha requerido mucho trabajo para crear procesos y equipos de fabricación únicos. Como resultado, ahora estamos bien preparados para aumentar la producción de SPARC", dice Joy Dunn, jefe de operaciones del CFS. "Empezamos con un modelo físico y un diseño CAD, y trabajamos con mucho desarrollo y prototipos para convertir un diseño en papel en este imán físico real". Esto supuso la creación de capacidades de fabricación e instalaciones de prueba, incluido un proceso iterativo con múltiples proveedores de la cinta superconductora, para ayudarles a alcanzar la capacidad de producir material que cumpliera las especificaciones necesarias, y del que CFS es ahora el mayor usuario del mundo.
Trabajaron con dos posibles diseños de imanes en paralelo, y ambos acabaron cumpliendo los requisitos del diseño, dice. "Realmente se redujo a cuál de ellos revolucionaría la forma de fabricar imanes superconductores, y cuál era más fácil de construir". El diseño que adoptaron destacaba claramente en ese aspecto, dice.
En esta prueba, el nuevo imán se fue potenciando gradualmente en una serie de pasos hasta alcanzar el objetivo de un campo magnético de 20 teslas, la mayor intensidad de campo jamás alcanzada por un imán de fusión superconductor de alta temperatura. El imán está compuesto por 16 placas apiladas, cada una de las cuales sería por sí sola el imán superconductor de alta temperatura más potente 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 se ha alcanzado ahora, justo en el momento previsto, incluso con la pandemia, dice.
Citando la serie de artículos de física publicados el año pasado, Brandon Sorbom, director científico del CFS, dice que "básicamente los artículos concluyen que si construimos el imán, toda la física funcionará en el SPARC. Así que esta demostración responde a la pregunta: ¿Pueden construir el imán? Es un momento muy emocionante. Es un hito enorme".
El siguiente paso será la construcción de SPARC, una versión a menor escala de la central ARC prevista. El funcionamiento satisfactorio de SPARC demostrará que una central de fusión comercial a escala real es práctica, lo que despejará el camino para que el diseño y la construcción de ese dispositivo pionero puedan proceder a toda velocidad.
Zuber afirma que "ahora soy realmente optimista en cuanto a que SPARC puede conseguir energía neta positiva, basándome en el rendimiento demostrado de los imanes. El siguiente paso es ampliar la escala, para construir una planta de energía real. Todavía quedan muchos retos por delante, entre los que destaca el desarrollo de un diseño que permita un funcionamiento fiable y sostenido. Y dado que el objetivo es la comercialización, otro reto importante será el económico. ¿Cómo se diseñan estas centrales para que sea rentable construirlas y desplegarlas?".
Algún día, en un futuro esperado, cuando haya miles de plantas de fusión que alimenten redes eléctricas limpias en todo el mundo, Zuber dice: "Creo que miraremos atrás y pensaremos en cómo hemos llegado hasta ahí, y creo que la demostración de la tecnología de imanes, para mí, es el momento en que creí que, vaya, realmente podemos hacer esto".
La creación exitosa de un dispositivo de fusión que produzca energía sería un tremendo logro científico, señala Zuber. Pero eso no es lo principal. "Ninguno de nosotros está tratando de ganar trofeos en este momento. Intentamos que el planeta siga siendo habitable".
https://news.mit.edu/2021/MIT-CFS-major-advance-toward-fusion-energy-0908
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