Cinco tecnologías habilitadoras que necesitará una industria de fusión

La energía de fusión necesita más que una reacción de fusión sostenida antes de que pueda ayudar al mundo a producir suficiente energía neutra en carbono. El Departamento de Energía de EE. UU. ha identificado una agenda de investigación y desarrollo para un conjunto de tecnologías y procesos que permitan la fusión.

Dos funcionarios del DOE nombraron cinco de esas tecnologías apremiantes en un Webinar el jueves organizado por las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina (NASEM). Más están cubiertos en un NASEM 2021 reporte que insta al rápido desarrollo de la tecnología que permite la fusión:

“Aunque esto a menudo se pospone para el futuro, el objetivo de la energía de fusión económica dentro de las próximas décadas como un interés estratégico de los EE. UU. impulsa la necesidad de aumentar rápidamente la investigación y el desarrollo de materiales, componentes y tecnologías de fusión nuclear”.

Los cinco destacados el jueves incluyen:

1 Materiales a prueba de fusión

El plasma donde ocurre la reacción de fusión puede ser más caliente que el sol. Un poderoso campo magnético o inercia puede confinar el plasma, protegiéndolo de las paredes y los componentes del reactor, pero los reactores de fusión requerirán materiales que puedan soportar el calor extremo y el bombardeo de neutrones que se liberan cuando los isótopos de hidrógeno se transforman en helio.

Para probar materiales potenciales, los científicos necesitan producir condiciones similares a una reacción de fusión.

"Existe una necesidad muy urgente de una fuente de neutrones prototipo de fusión para poder recopilar los datos de los materiales, lo que puede llevar muchos años de exposición", dijo Scott Hsu, coordinador principal de fusión del DOE. Mientras esa fuente de neutrones está en desarrollo, agregó, el aprendizaje automático y las pruebas de materiales pueden ayudar a reducir la cantidad de materiales candidatos.

También existe la posibilidad de evitar los materiales por completo mediante el uso de "diseños de primera pared y manta verdaderamente transformadores, en los que es posible que ni siquiera haya ningún material sólido frente al plasma, y ​​eso casi elude el problema de los materiales", dijo Hsu. “Y necesitamos mantener esas ideas sobre la mesa”.

2 Un criador de tritio

Los diseños de reactores de fusión más comunes utilizan dos isótopos de hidrógeno: deuterio (²H) y tritio (³H)—como combustible.

"Si vamos a utilizar un ciclo de combustible de deuterio-tritio, tendremos que extraer el calor y generar tritio", dijo Richard Hawryluk, asesor técnico sénior de la Oficina de Ciencias del DOE y presidente del informe NASEM de 2021. .

“Un desafío particular es la necesidad de cerrar de manera segura y eficiente el ciclo del combustible”, afirma ese informe, “que para los diseños de fusión de deuterio-tritio implica el desarrollo de mantas para reproducir y extraer tritio, así como el abastecimiento de combustible, el agotamiento, el confinamiento, extraer y separar tritio en cantidades significativas”.

3 Un sistema de escape

Parte del calor insondable producido en una reacción de fusión se utilizará para producir energía, pero primero debe controlarse, y el ventilador de cocina estándar no funcionará.

“Un programa de investigación completo requerirá instalaciones de prueba que produzcan entornos cada vez más similares a una planta de energía de fusión para evaluar el manejo de escape de energía relevante para el reactor en el entorno de fusión de neutrones”, afirma el informe de NASEM.

4 láseres más eficientes

La Instalación Nacional de Ignición (NIF) del DOE celebró un logro buscado durante mucho tiempo en diciembre cuando provocó una reacción de fusión que liberó más energía (3.15 megajulios) que los rayos del láser que la encendió (2.05 megajulios). Pero se necesitaron 300 megajulios para encender el láser.

Eventualmente, dichos láseres serán alimentados, después de su puesta en marcha, por la electricidad del reactor de fusión. Pero láseres más eficientes significan reactores más eficientes, dejando más energía para el usuario o la red.

5 Repetición

No es suficiente que el láser sea eficiente. También tiene que funcionar menos como un mosquete y más como una ametralladora.

“El resultado maravilloso en NIF”, dijo Hawryluk, “llegamos a ese punto haciendo algunas tomas por año. Tienes que ser capaz de llegar al punto en el que estés haciendo algunos tiros por segundo, o un tiro por segundo, por lo que también es la tasa de repetición lo que tenemos que dominar”.

Eso aumenta la tasa de repetición de cada paso del proceso, comenzando con la cápsula de combustible. Según el diario Ciencia:, “Habría que fabricar, llenar, posicionar, volar y limpiar un millón de cápsulas al día, un gran desafío de ingeniería”.

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