I la fusió?

Els informes de finals de l'any passat sobre la construcció d'un reactor de síntesi per part d'especialistes xinesos sonaven sensacionals (1). Els mitjans estatals de la Xina van informar que la instal·lació HL-2M, situada en un centre d'investigació a Chengdu, estarà operativa el 2020. El to dels informes dels mitjans indicava que el tema de l'accés a l'energia inesgotable de la fusió termonuclear estava resolt per sempre.

Una mirada més propera als detalls ajuda a refredar l'optimisme.

nou aparell tipus tokamak, amb un disseny més avançat que els coneguts fins ara, hauria de generar plasma amb temperatures superiors als 200 milions de graus centígrads. Així ho va anunciar en un comunicat de premsa el cap de l'Institut de Física del Sud-oest de la Corporació Nuclear Nacional de la Xina, Duan Xiuru. El dispositiu proporcionarà suport tècnic als xinesos que treballen en el projecte Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER)així com la construcció.

Per tant, crec que encara no és una revolució energètica, tot i que la van crear els xinesos. reactor KhL-2M fins ara se sap poc. No sabem quina és la producció tèrmica prevista d'aquest reactor ni quins nivells d'energia es necessiten per executar-hi una reacció de fusió nuclear. No sabem el més important: és el reactor de fusió xinès un disseny amb un balanç energètic positiu, o és només un altre reactor de fusió experimental que permet una reacció de fusió, però que al mateix temps requereix més energia per a la "ignició" que el energia que es pot obtenir com a resultat de les reaccions.

Esforç internacional

La Xina, juntament amb la Unió Europea, els Estats Units, l'Índia, el Japó, Corea del Sud i Rússia, són membres del programa ITER. Aquest és el més car dels projectes de recerca internacionals actuals finançats pels països esmentats anteriorment, amb un cost d'uns 20 milions de dòlars EUA. Va ser inaugurat com a resultat de la cooperació entre els governs de Mikhail Gorbatxov i Ronald Reagan durant l'època de la Guerra Freda, i molts anys més tard va ser inclòs en un tractat signat per tots aquests països el 2006.

2. A l'obra del tokamak ITER

El projecte ITER de Cadarache al sud de França (2) està desenvolupant el tokamak més gran del món, és a dir, una cambra de plasma que s'ha de domesticar mitjançant un potent camp magnètic generat per electroimants. Aquest invent va ser desenvolupat per la Unió Soviètica als anys 50 i 60. Gestor de projectes, Lavan Koblenz, va anunciar que l'organització hauria de rebre el "primer plasma" el desembre de 2025. ITER hauria de suportar una reacció termonuclear per a unes 1 mil persones cada vegada. segons, agafant força 500-1100 MW. Per comparar, el tokamak britànic més gran fins ara, JET (torus europeu conjunt), reté una reacció durant diverses desenes de segons i guanya força fins a 16 MW. L'energia d'aquest reactor s'alliberarà en forma de calor; no se suposa que es converteixi en electricitat. El subministrament d'energia de fusió a la xarxa està fora de qüestió, ja que el projecte només té finalitats d'investigació. Només a partir de l'ITER es construirà la futura generació de reactors termonuclears, assolint la potència 3-4 mil. MW.

La principal raó per la qual encara no existeixen centrals elèctriques de fusió normals (malgrat més de seixanta anys d'investigació extensa i costosa) és la dificultat de controlar i "gestionar" el comportament del plasma. Tanmateix, anys d'experimentació han donat molts descobriments valuosos, i avui l'energia de fusió sembla més a prop que mai.

Afegiu heli-3, remeneu i escalfeu

ITER és el focus principal de la investigació global de la fusió, però molts centres de recerca, empreses i laboratoris militars també estan treballant en altres projectes de fusió que s'allunyen de l'enfocament clàssic.

Per exemple, realitzat en els darrers anys de l'Institut Tecnològic de Massachusetts experiments amb Helem-3 al tokamak va donar resultats emocionants, inclòs deu vegades l'energia ió de plasma. Científics que duen a terme experiments amb el tokamak C-Mod a l'Institut Tecnològic de Massachusetts, juntament amb especialistes de Bèlgica i el Regne Unit, han desenvolupat un nou tipus de combustible termonuclear que conté tres tipus d'ions. Equip Alcatel C-Mod (3) va realitzar un estudi el setembre de 2016, però les dades d'aquests experiments només s'han analitzat recentment, revelant un gran augment de l'energia del plasma. Els resultats van ser tan encoratjadors que els científics que dirigeixen el laboratori de fusió operatiu més gran del món, JET al Regne Unit, van decidir repetir els experiments. Es va aconseguir el mateix augment d'energia. Els resultats de l'estudi es publiquen a la revista Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod en funcionament

La clau per millorar l'eficiència del combustible nuclear va ser l'addició de traces d'heli-3, un isòtop estable d'heli, amb un neutró en lloc de dos. El combustible nuclear utilitzat en el mètode Alcator C anteriorment contenia només dos tipus d'ions, deuteri i hidrogen. El deuteri, un isòtop estable de l'hidrogen amb un neutró al nucli (a diferència de l'hidrogen sense neutrons), representa aproximadament el 95% del combustible. Els científics del Plasma Research Center i de l'Institut Tecnològic de Massachusetts (PSFC) van utilitzar un procés anomenat Calefacció RF. Les antenes al costat del tokamak utilitzen una radiofreqüència específica per excitar les partícules, i les ones es calibren per "orientar" els ions d'hidrogen. Com que l'hidrogen constitueix una petita fracció de la densitat total del combustible, concentrar només una petita fracció dels ions en l'escalfament permet assolir nivells d'energia extrems. A més, els ions d'hidrogen estimulats passen als ions deuteri que predominen a la mescla, i les partícules formades d'aquesta manera entren a la carcassa exterior del reactor, alliberant calor.

L'eficiència d'aquest procés augmenta quan s'afegeixen ions d'heli-3 a la mescla en una quantitat inferior a l'1%. En concentrar tota la calefacció de la ràdio en una petita quantitat d'heli-3, els científics van augmentar l'energia dels ions a megaelectronvolts (MeV).

Primer arribat - primer servit Equivalent en rus: Menjar hoste tard i os

Hi ha hagut molts desenvolupaments en el món del treball de fusió controlada durant els darrers anys que han reavivat les esperances dels científics i de tots nosaltres d'arribar finalment al "Sant Grial" de l'energia.

Els bons senyals inclouen, entre d'altres, els descobriments del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Departament d'Energia dels Estats Units (DOE). Les ones de ràdio s'han utilitzat amb gran èxit per reduir significativament les anomenades pertorbacions plasmàtiques, que poden ser crucials en el procés de "vestir" les reaccions termonuclears. El mateix equip d'investigació el març de 2019 va informar d'un experiment de tokamak de liti en què les parets interiors del reactor de prova estaven recobertes de liti, un material ben conegut de les bateries que s'utilitzen habitualment en electrònica. Els científics van assenyalar que el revestiment de liti de les parets del reactor absorbeix partícules de plasma disperses, evitant que es reflecteixin cap al núvol de plasma i interfereixin amb les reaccions termonuclears.

4. Visualització del projecte TAE Technologies

Els estudiosos de les principals institucions científiques de renom s'han convertit fins i tot en optimistes prudents en les seves declaracions. Recentment, també hi ha hagut un gran augment de l'interès per les tècniques de fusió controlada al sector privat. El 2018, Lockheed Martin va anunciar un pla per desenvolupar un prototip de reactor de fusió compacte (CFR) durant la propera dècada. Si la tecnologia en la qual treballa l'empresa funciona, un dispositiu de la mida d'un camió serà capaç de proporcionar prou electricitat per satisfer les necessitats d'un dispositiu de 100 peus quadrats. habitants de la ciutat.

Altres empreses i centres de recerca competeixen per veure qui pot construir el primer reactor de fusió real, com ara TAE Technologies i l'Institut Tecnològic de Massachusetts. Fins i tot Jeff Bezos d'Amazon i Bill Gates de Microsoft s'han implicat recentment en projectes de fusió. NBC News va comptar recentment disset petites empreses només de fusió als EUA. Startups com General Fusion o Commonwealth Fusion Systems s'estan centrant en reactors més petits basats en superconductors innovadors.

El concepte de "fusió en fred" i alternatives als grans reactors, no només els tokamaks, sinó també els anomenats. estel·lars, amb un disseny lleugerament diferent, construït inclòs a Alemanya. També continua la recerca d'un enfocament diferent. Un exemple d'això és un dispositiu anomenat pessic Z, construït per científics de la Universitat de Washington i descrit en un dels últims números de la revista Physics World. El Z-pinch funciona atrapant i comprimint el plasma en un camp magnètic potent. A l'experiment, va ser possible estabilitzar el plasma durant 16 microsegons, i la reacció de fusió va continuar durant aproximadament un terç d'aquest temps. La demostració havia de demostrar que la síntesi a petita escala és possible, tot i que molts científics encara tenen seriosos dubtes sobre això.

Al seu torn, gràcies al suport de Google i d'altres inversors en tecnologia avançada, l'empresa de Califòrnia TAE Technologies utilitza un mètode diferent del típic dels experiments de fusió, mescla de combustible de bor, que es van utilitzar per desenvolupar reactors més petits i econòmics, inicialment amb el propòsit de l'anomenat motor de coets de fusió. Un prototip de reactor de fusió cilíndrica (4) amb contrabigues (CBFR), que escalfa el gas hidrogen per formar dos anells de plasma. Es combinen amb feixos de partícules inerts i es mantenen en aquest estat, la qual cosa hauria d'augmentar l'energia i la durabilitat del plasma.

Una altra startup de fusió General Fusion de la província canadenca de la Colúmbia Britànica gaudeix del suport del mateix Jeff Bezos. En poques paraules, el seu concepte és injectar plasma calent en una bola de metall líquid (una barreja de liti i plom) dins d'una bola d'acer, després de la qual cosa el plasma és comprimit per pistons, com un motor dièsel. La pressió creada hauria de conduir a la fusió, que alliberarà una gran quantitat d'energia per alimentar les turbines d'un nou tipus de central elèctrica. Mike Delage, director de tecnologia de General Fusion, diu que la fusió nuclear comercial podria debutar en deu anys.

5. Il·lustració d'una patent termonuclear de la Marina dels EUA.

Recentment, la Marina dels EUA també va presentar una patent per a un "dispositiu de fusió de plasma". La patent parla de camps magnètics per crear "vibració accelerada" (5). La idea és construir reactors de fusió prou petits com per ser portàtils. No cal dir que aquesta sol·licitud de patent es va rebre amb escepticisme.