¿Se pueden desarrollar más rápidamente las instalaciones de fusión tokamak, los dispositivos más utilizados para cosechar en la Tierra las reacciones de fusión que alimentan al sol y las estrellas para producir energía segura, limpia y prácticamente ilimitada para generar electricidad? Físico Jon Menard de los EE. UU.El Laboratorio de Física de Plasma Princeton PPPL del Departamento de Energía DOE ha examinado esa pregunta en una mirada detallada al concepto de un tokamak compacto equipado con imanes superconductores de alta temperatura HTS. Estos imanes pueden producir campos magnéticos más altos, necesarios para produciry mantener reacciones de fusión, que de otra manera serían posibles en una instalación compacta.
Menard presentó por primera vez el documento, ahora publicado en Transacciones filosóficas de la Royal Society A , a un taller de la Royal Society en Londres que exploró la aceleración del desarrollo de la potencia de fusión producida por tokamak con tokamaks compactos ". Este es el primer documento que documenta cuantitativamente cómo los nuevos superconductores pueden interactuar con la alta presión que producen los tokamaks compactos para influircómo se optimizan los tokamaks en el futuro ", dijo Menard." Lo que intentamos desarrollar fueron algunos modelos simples que capturan aspectos importantes de un diseño integrado ".
hallazgos "muy significativos"
Los hallazgos son "muy significativos", dijo Steve Cowley, director de PPPL. Cowley señaló que "los argumentos de Jon en este y el documento anterior han sido muy influyentes en el reciente informe de las Academias Nacionales de Ciencias", que exige un programa de los EE. UU.para desarrollar una planta piloto de fusión compacta para generar electricidad al menor costo posible ". Jon realmente describió los aspectos técnicos para tokamaks mucho más pequeños que usan imanes de alta temperatura", dijo Cowley.
Los tokamaks compactos, que pueden incluir instalaciones esféricas como el National Spherical Torus Experiment-Upgrade NSTX-U que está en reparación en PPPL y el Mega Ampere Spherical Tokamak MAST en Gran Bretaña, ofrecen algunas características ventajosas.Con forma de manzanas con núcleo en lugar de tokamaks convencionales con forma de rosquilla, puede producir plasmas de alta presión que son esenciales para las reacciones de fusión con campos magnéticos relativamente bajos y rentables.
Tales reacciones fusionan elementos ligeros en forma de plasma, el estado caliente y cargado de materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, para liberar energía. Los científicos buscan replicar este proceso y esencialmente crear una estrella en la Tierra para generar abundanteelectricidad para hogares, granjas e industrias en todo el mundo. Fusion podría durar millones de años con poco riesgo y sin generar gases de efecto invernadero.
Extiende el examen anterior
El estudio de Menard amplía su examen anterior de un diseño esférico que podría desarrollar materiales y componentes para un reactor de fusión y servir como planta piloto para producir energía eléctrica. El documento actual proporciona un análisis detallado de las complejas compensaciones que los experimentos futuros necesitaránexplore cuando se trata de integrar tokamaks compactos con imanes HTS. "Nos damos cuenta de que no hay una única innovación con la que se pueda contar para lograr algún avance para hacer que los dispositivos sean más compactos o económicos", dijo Menard.sistema integrado para saber si está obteniendo beneficios de los campos magnéticos superiores "
El documento enfoca cuestiones clave en el tamaño del agujero, definido como la "relación de aspecto", en el centro del tokamak que sostiene y da forma al plasma. En tokamaks esféricos, este agujero puede ser la mitad del tamaño del agujero entokamaks convencionales, que corresponden a la forma en forma de corazón del diseño compacto. Si bien los físicos creen que las relaciones de aspecto más bajas pueden mejorar la estabilidad y el confinamiento del plasma, "no sabremos el lado del confinamiento hasta que realicemos experimentos en el NSXT-Uy las actualizaciones MAST ", dijo Menard.
Las relaciones de aspecto más bajas proporcionan una configuración atractiva para los imanes HTS, cuya alta densidad de corriente puede producir los fuertes campos magnéticos que requiere la fusión dentro del espacio relativamente estrecho de un tokamak compacto. Sin embargo, los imanes superconductores necesitan un blindaje grueso para protegerse del daño por bombardeo de neutrones ycalentamiento, dejando poco espacio para que un transformador induzca corriente en el plasma para completar el campo de torsión cuando se reduce el tamaño del dispositivo. Para diseños de relación de aspecto más bajos, los científicos tendrían que desarrollar nuevas técnicas para producir parte o la totalidad de la corriente de plasma inicial.
200 a 300 megavatios de energía eléctrica
Sostener el plasma para generar los 200 a 300 megavatios de energía eléctrica que examina el documento también requeriría un mayor confinamiento que el que normalmente alcanzan los regímenes operativos estándar de tokamak. Dicha producción de energía podría conducir a flujos desafiantes de neutrones de fusión que limitarían la vida útil estimadade los imanes HTS a uno o dos años de funcionamiento a plena potencia. El blindaje más grueso podría aumentar sustancialmente esa vida útil, pero también reduciría la entrega de potencia de fusión.
De hecho, se necesitará un gran desarrollo para los imanes HTS, que aún no se han construido a escala. "Probablemente llevará años armar un modelo de los elementos esenciales de los requisitos de tamaño del imán y los factores relacionados en función de la relación de aspecto", Dijo Menard.
El resultado final, dijo, es que la relación de aspecto más baja "realmente vale la pena investigar en base a estos resultados". Los beneficios potenciales de las relaciones más bajas, señaló, incluyen la producción de densidad de potencia de fusión, el resultado crucial de la fusiónpotencia por volumen de plasma, que excede el rendimiento de las relaciones de aspecto convencionales. "Fusion necesita ser más atractivo", dijo Menard, "por lo que es importante evaluar los beneficios de las relaciones de aspecto más bajas y cuáles son las compensaciones".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Princeton Plasma Physics Laboratory . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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