Solución Innovadora Para Resolver Un Desafío De Fusión De Larga Data

Resolviendo un desafío de fusión de larga data

El diseño conceptual ARC para una planta de energía de fusión compacta y de alto campo magnético. El diseño ahora incorpora innovaciones de la investigación recientemente publicada para manejar el escape de calor del plasma.

El diseño novedoso podría ayudar a eliminar el exceso de calor en las plantas de energía de fusión de próxima generación.

Un ejercicio de clase en MIT , con la ayuda de investigadores de la industria, ha dado lugar a una solución innovadora a uno de los desafíos de larga data que enfrenta el desarrollo de plantas de energía de fusión prácticas: cómo deshacerse del exceso de calor que causaría daños estructurales a la planta.

La nueva solución fue posible gracias a un enfoque innovador de los reactores de fusión compactos, utilizando imanes superconductores de alta temperatura. Este método formó la base para un nuevo programa de investigación masivo lanzado este año en el MIT y la creación de una nueva empresa independiente para desarrollar el concepto. El nuevo diseño, a diferencia del de las plantas de fusión típicas, permitiría abrir la cámara interna del dispositivo y reemplazar componentes críticos; esta capacidad es esencial para el mecanismo de drenaje de calor recientemente propuesto.

El nuevo enfoque se detalla en un artículo en la revista Fusion Engineering and Design, escrito por Adam Kuang, un estudiante graduado de esa clase, junto con otros 14 estudiantes del MIT, ingenieros de Mitsubishi Electric Research Laboratories y Commonwealth Fusion Systems, y el profesor Dennis Whyte. , director del Plasma Science and Fusion Center del MIT, quien impartió la clase.

En esencia, explica Whyte, el desprendimiento de calor del interior de una planta de fusión se puede comparar con el sistema de escape de un automóvil. En el nuevo diseño, el “tubo de escape” es mucho más largo y ancho de lo que es posible en cualquiera de los diseños de fusión actuales, lo que lo hace mucho más efectivo para eliminar el calor no deseado. Pero la ingeniería necesaria para hacerlo posible requirió una gran cantidad de análisis complejos y la evaluación de muchas docenas de posibles alternativas de diseño.

Resolviendo el desafío de fusión de larga data

El diseño conceptual ARC para una planta de energía de fusión compacta y de alto campo magnético. Los componentes numerados son los siguientes: 1. plasma; 2. El desviador de nuevo diseño; 3. bobinas de acabado de cobre; 4. Bobinas de campo poloidal superconductor de alta temperatura (HTS), utilizadas para dar forma al plasma en el desviador; 5. Manta FLIBE, un material líquido que recoge el calor de los neutrones emitidos; 6. Bobinas de campo toroidal HTS, que dan forma al toro principal de plasma; 7. Solenoide central HTS; 8. recipiente de vacío; 9. Tanque FLIBE; 10. juntas en bobinas de campo toroidal, que se pueden abrir para permitir el acceso al interior.

Fusión domesticada plasma

La fusión aprovecha la reacción que impulsa al sol mismo, manteniendo la promesa de producir eventualmente electricidad limpia y abundante utilizando un combustible derivado del agua de mar: deuterio, una forma pesada de hidrógeno y litio, por lo que el suministro de combustible es esencialmente ilimitado. Pero décadas de investigación sobre tales plantas generadoras de energía aún no han llevado a un dispositivo que produzca tanta energía como consume, mucho menos uno que realmente produzca una producción neta de energía.

A principios de este año, sin embargo, la propuesta del MIT para un nuevo tipo de planta de fusión, junto con varios otros diseños innovadores que están siendo explorados por otros, finalmente hizo que el objetivo de la energía de fusión práctica pareciera estar al alcance. Sin embargo, quedan por resolver varios desafíos de diseño, incluida una forma eficaz de eliminar el calor interno del material supercaliente y cargado eléctricamente, llamado plasma, confinado dentro del dispositivo.

La mayor parte de la energía producida dentro de un reactor de fusión se emite en forma de neutrones, que calientan un material que rodea al plasma en fusión, llamado manta. En una planta de producción de energía, esa manta calentada a su vez se usaría para impulsar una turbina generadora. Pero alrededor del 20 por ciento de la energía se produce en forma de calor en el propio plasma, que de alguna manera debe disiparse para evitar que derrita los materiales que forman la cámara.

Ningún material es lo suficientemente fuerte para resistir el calor del plasma dentro de un dispositivo de fusión, que alcanza temperaturas de millones de grados, por lo que el plasma se mantiene en su lugar mediante poderosos imanes que evitan que entre en contacto directo con las paredes interiores del cámara de fusión en forma de rosquilla. En los diseños típicos de fusión, se utiliza un conjunto separado de imanes para crear una especie de cámara lateral para drenar el exceso de calor, pero estos denominados desviadores son insuficientes para el alto calor en la nueva planta compacta.

Una de las características deseables del diseño del ARC es que produciría energía en un dispositivo mucho más pequeño de lo que se requeriría de un reactor convencional de la misma potencia. Pero eso significa más energía confinada en un espacio más pequeño y, por lo tanto, más calor del que deshacerse.

“Si no hiciéramos nada con respecto al escape de calor, el mecanismo se rompería por sí solo”, dice Kuang, quien es el autor principal del artículo, describiendo el desafío que el equipo abordó y finalmente resolvió.

Trabajo interno

En los diseños de reactores de fusión convencionales, las bobinas magnéticas secundarias que crean el desviador se encuentran fuera de las primarias, porque simplemente no hay forma de colocar estas bobinas dentro de las bobinas primarias sólidas. Eso significa que las bobinas secundarias deben ser grandes y poderosas, para hacer que sus campos penetren en la cámara y, como resultado, no son muy precisas en cómo controlan la forma del plasma.

Pero el nuevo diseño originado por el MIT, conocido como ARC (avanzado, robusto y compacto) cuenta con imanes integrados en secciones para que puedan retirarse para el servicio. Esto permite acceder a todo el interior y colocar los imanes secundarios dentro de las bobinas principales en lugar de en el exterior. Con esta nueva disposición, “con solo acercarlos [al plasma] se pueden reducir significativamente de tamaño”, dice Kuang.

En la clase de posgrado de un semestre 22.63 (Principios de la ingeniería de fusión), los estudiantes se dividieron en equipos para abordar diferentes aspectos del desafío del rechazo del calor. Cada equipo comenzó haciendo una búsqueda exhaustiva de la literatura para ver qué conceptos ya se habían probado, luego hicieron una lluvia de ideas para encontrar múltiples conceptos y gradualmente eliminaron aquellos que no funcionaron. Aquellos que eran prometedores fueron sometidos a cálculos y simulaciones detallados, basados, en parte, en datos de décadas de investigación sobre dispositivos de fusión de investigación como el Alcator C-Mod del MIT, que se retiró hace dos años. El científico de C-Mod, Brian LaBombard, también compartió ideas sobre nuevos tipos de desviadores, y dos ingenieros de Mitsubishi también trabajaron con el equipo. Varios de los estudiantes continuaron trabajando en el proyecto después de que terminó la clase, lo que finalmente condujo a la solución descrita en este nuevo documento. Las simulaciones demostraron la efectividad del nuevo diseño que eligieron.

“Fue realmente emocionante lo que descubrimos”, dice Whyte. El resultado son desviadores que son más largos y más grandes, y que mantienen el plasma controlado con mayor precisión. Como resultado, pueden soportar las intensas cargas de calor esperadas.

“Quieres hacer el ‘tubo de escape’ lo más grande posible”, dice Whyte, explicando que la colocación de los imanes secundarios dentro de los primarios lo hace posible. “Es realmente una revolución para el diseño de una planta de energía”, dice. Los superconductores de alta temperatura utilizados en los imanes del diseño ARC no solo permiten una planta de energía compacta y de alta potencia, dice, “sino que también brindan muchas opciones” para optimizar el diseño de diferentes maneras, incluido, resulta , este nuevo diseño de desviador.

En el futuro, ahora que se ha desarrollado el concepto básico, hay mucho espacio para un mayor desarrollo y optimización, incluida la forma exacta y la ubicación de estos imanes secundarios, dice el equipo. Los investigadores están trabajando para seguir desarrollando los detalles del diseño.

“Esto abre nuevos caminos para pensar en los desviadores y la gestión del calor en un dispositivo de fusión”, dice Whyte.

“Todo el trabajo de ARC ha sido revelador y estimulante de nuevas formas de ver los reactores de fusión de tokamak”, dice Bruce Lipschultz, profesor de física en la Universidad de York , en el Reino Unido, que no participó en este trabajo. Este último artículo, dice, “incorpora nuevas ideas en el campo con muchas otras mejoras significativas en el concepto de tokamak. … El estudio ARC del concepto de desviador de pierna extendida muestra que la aplicación a un reactor no es imposible, como otros han sostenido ”.

Lipschultz añade que se trata de “una investigación de muy alta calidad que muestra un camino a seguir para el reactor tokamak y estimula nuevas investigaciones en otros lugares”.

El equipo incluyó a los estudiantes del MIT Norman Cao, Alexander Creely, Cody Dennett, Jake Hecla, Adam Kuang, Alex Tinguely, Elizabeth Tolman, Hannah Hoffman, Maximillian Major, Juan Ruiz Ruiz y Brandon Sorbom, los científicos de investigación de PSFC Daniel Brunner y Brian LaBombard, profesor Dennis Whyte y los ingenieros de Mitsubishi Electric Research Laboratories, Piyush Grover y Christopher Laughman. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT, el Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias y los Laboratorios de Investigación Mitsubishi Electric.

Publicación: AQKuang, et al., “Estudio de diseño conceptual para la gestión del escape de calor en la planta piloto de fusión ARC”, Fusion Engineering and Design, 2018; doi: 10.1016 / j.fusengdes.2018.09.007

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