El MIT demuestra que los imanes superconductores de alta temperatura están listos para la fusión nuclear

En la madrugada del 5 de septiembre de 2021, los ingenieros lograron un hito importante en los laboratorios del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma (PSFC) del MIT, cuando un nuevo tipo de imán, fabricado a partir de material superconductor de alta temperatura, logró un récord mundial al lograr una intensidad de campo magnético de 20 teslas para un imán de gran escala. Esa es la intensidad necesaria para construir una planta de energía de fusión que se espera produzca una producción neta de energía y potencialmente marque el comienzo de una era de producción de energía prácticamente ilimitada.

La prueba fue inmediatamente declarada un éxito, ya que cumplió todos los criterios establecidos para el diseño del nuevo dispositivo de fusión, denominado SPARC, cuyos imanes son la tecnología clave.

Pero eso estuvo lejos de ser el final del proceso. Durante los meses siguientes, el equipo desmontó e inspeccionó los componentes del imán, examinó minuciosamente y analizó los datos de cientos de instrumentos que registraron detalles de las pruebas y realizó dos pruebas adicionales en el mismo imán, llevándolo finalmente a su máximo potencial. punto de ruptura para conocer los detalles de cualquier posible modo de falla.

Todo este trabajo ha culminado ahora en un informe detallado elaborado por investigadores del PSFC y la empresa derivada del MIT, Commonwealth Fusion Systems (CFS), publicado en una colección de seis artículos revisados ​​por pares en una edición especial de la edición de marzo de IEEE Transactions on Applied Superconductivity.

En conjunto, los artículos describen el diseño y la fabricación del imán y el equipo de diagnóstico necesario para evaluar su desempeño, así como las lecciones aprendidas del proceso. En general, descubrió el equipo, las predicciones y el modelado por computadora fueron acertados, verificando que los elementos de diseño únicos del imán podrían servir como base para una planta de energía de fusión.

Habilitando energía de fusión práctica

La exitosa prueba del imán, dice Dennis Whyte, profesor de ingeniería de Hitachi America, quien recientemente renunció como director del PSFC, fue “lo más importante, en mi opinión, en los últimos 30 años de investigación sobre la fusión”.

Antes de la demostración del 5 de septiembre, los mejores imanes superconductores disponibles eran lo suficientemente potentes como para lograr potencialmente energía de fusión, pero sólo en tamaños y costos que nunca podrían ser prácticos o económicamente viables. Luego, cuando las pruebas demostraron la viabilidad de un imán tan fuerte en un tamaño muy reducido, “de la noche a la mañana, básicamente cambió el costo por vatio de un reactor de fusión en un factor de casi 40 en un día”, dice Whyte.

"Ahora la fusión tiene una oportunidad", añade Whyte. Los Tokamaks, el diseño más utilizado para dispositivos de fusión experimentales, “tienen la posibilidad, en mi opinión, de ser económicos porque tienen un cambio cuántico en su capacidad, con las reglas conocidas de la física de confinamiento, de poder reducir en gran medida la tamaño y el costo de los objetos que harían posible la fusión”.

Los datos y análisis completos de la prueba magnética del PSFC, como se detalla en los seis nuevos artículos, han demostrado que los planes para una nueva generación de dispositivos de fusión (la diseñada por el MIT y CFS, así como diseños similares de otras compañías comerciales de fusión) están construidos sobre una base sólida en la ciencia.

El avance del superconductor

La fusión, el proceso de combinar átomos ligeros para formar átomos más pesados, alimenta el Sol y las estrellas, pero aprovechar ese proceso en la Tierra ha demostrado ser un desafío enorme, con décadas de arduo trabajo y muchos miles de millones de dólares gastados en dispositivos experimentales.

El objetivo largamente buscado, pero nunca alcanzado todavía, es construir una planta de energía de fusión que produzca más energía de la que consuma. Una central de este tipo podría producir electricidad sin emitir gases de efecto invernadero durante su funcionamiento y generar muy pocos residuos radiactivos. El combustible de fusión, una forma de hidrógeno que puede derivarse del agua de mar, es prácticamente ilimitado.

Pero para que funcione es necesario comprimir el combustible a temperaturas y presiones extraordinariamente altas, y dado que ningún material conocido podría soportar tales temperaturas, el combustible debe mantenerse en su lugar mediante campos magnéticos extremadamente potentes.

Para producir campos tan fuertes se necesitan imanes superconductores, pero todos los imanes de fusión anteriores se han fabricado con un material superconductor que requiere temperaturas gélidas de unos 4 grados sobre el cero absoluto (4 kelvin o -270 grados Celsius). En los últimos años, se ha añadido a los imanes de fusión un material más nuevo, denominado REBCO (óxido de cobre y bario, tierras raras), que les permite funcionar a 20 kelvin, una temperatura que, a pesar de ser sólo 16 kelvin más cálida, aporta importantes ventajas en términos de temperatura.

Aprovechar este nuevo material superconductor de mayor temperatura no fue sólo cuestión de sustituirlo en los diseños de imanes existentes. En cambio, "fue una reelaboración desde cero de casi todos los principios que se utilizan para construir imanes superconductores", dice Whyte. El nuevo material REBCO es “extraordinariamente diferente a la generación anterior de superconductores. No sólo vas a adaptarte y reemplazar, sino que vas a innovar desde cero”. Los nuevos artículos en Transactions on Applied Superconductivity describen los detalles de ese proceso de rediseño, ahora que la protección de patente está vigente.

Una innovación clave: sin aislamiento

Una de las innovaciones espectaculares, que hizo que muchos otros en el campo se mostraran escépticos sobre sus posibilidades de éxito, fue la eliminación del aislamiento alrededor de las finas y planas cintas superconductoras que formaban el imán. Como prácticamente todos los cables eléctricos, los imanes superconductores convencionales están completamente protegidos por material aislante para evitar cortocircuitos entre los cables. Pero en el nuevo imán, la cinta quedó completamente desnuda; los ingenieros confiaron en la conductividad mucho mayor de REBCO para mantener la corriente fluyendo a través del material.

"Cuando comenzamos este proyecto, digamos en 2018, la tecnología de usar superconductores de alta temperatura para construir imanes de alto campo a gran escala estaba en su infancia", dice Zach Hartwig, profesor de desarrollo profesional en el Departamento de Ciencias e Ingeniería Nucleares. Hartwig tiene un cargo conjunto en el PSFC y es el jefe de su grupo de ingeniería, que dirigió el proyecto de desarrollo del imán.

“Lo último en tecnología eran pequeños experimentos de mesa, que no eran realmente representativos de lo que se necesita para construir algo de tamaño real. Nuestro proyecto de desarrollo de imanes comenzó a escala de laboratorio y terminó a escala completa en un corto período de tiempo”, añade, señalando que el equipo construyó un imán de 20.000 libras que produjo un campo magnético constante y uniforme de poco más de 20 tesla, más allá de cualquier campo de este tipo jamás producido a gran escala.

"La forma estándar de construir estos imanes es enrollar el conductor y tener aislamiento entre los devanados, y se necesita aislamiento para hacer frente a los altos voltajes que se generan durante eventos anormales, como un apagado". Eliminar las capas de aislamiento, afirma, “tiene la ventaja de ser un sistema de bajo voltaje. Simplifica enormemente los procesos y el cronograma de fabricación”. También deja más espacio para otros elementos, como más refrigeración o más estructura para mayor resistencia.

El conjunto magnético es una versión ligeramente más pequeña de los que formarán la cámara en forma de rosquilla del dispositivo de fusión SPARC que actualmente construye CFS en Devens, Massachusetts. Consta de 16 placas, llamadas panqueques, cada una de las cuales lleva en un lado una espiral de cinta superconductora y en el otro canales de refrigeración para gas helio.

Pero el diseño sin aislamiento se consideró arriesgado y había mucho en juego en el programa de prueba. "Este fue el primer imán a escala suficiente que realmente probó lo que implica diseñar, construir y probar un imán con esta llamada tecnología sin aislamiento y sin torsión", dice Hartwig. "Fue una gran sorpresa para la comunidad cuando anunciamos que se trataba de una bobina sin aislamiento".

Llegando al límite... y más allá

La prueba inicial, descrita en artículos anteriores, demostró que el proceso de diseño y fabricación no sólo funcionaba sino que era muy estable, algo de lo que algunos investigadores habían dudado. Las siguientes dos pruebas, también realizadas a finales de 2021, llevaron el dispositivo al límite creando deliberadamente condiciones inestables, incluido un corte completo de la energía entrante que puede provocar un sobrecalentamiento catastrófico. Esto, conocido como enfriamiento, se considera el peor de los casos para el funcionamiento de dichos imanes, con el potencial de destruir el equipo.

Parte de la misión del programa de prueba, dice Hartwig, era “activar y apagar intencionalmente un imán a gran escala, para que podamos obtener los datos críticos en la escala correcta y en las condiciones adecuadas para avanzar en la ciencia, validar los códigos de diseño, y luego desarmar el imán y ver qué salió mal, por qué salió mal y cómo llevamos a cabo la siguiente iteración para solucionarlo. … Fue una prueba muy exitosa”.

Esa prueba final, que terminó con el derretimiento de una esquina de uno de los 16 panqueques, produjo una gran cantidad de información nueva, dice Hartwig. Por un lado, habían estado usando varios modelos computacionales diferentes para diseñar y predecir el desempeño de varios aspectos del desempeño del imán y, en su mayor parte, los modelos coincidían en sus predicciones generales y estaban bien validados por la serie de pruebas y mediciones del mundo real. Pero al predecir el efecto de la extinción, las predicciones del modelo divergieron, por lo que fue necesario obtener datos experimentales para evaluar la validez de los modelos.

"Los modelos de mayor fidelidad que teníamos predijeron casi exactamente cómo se calentaría el imán, en qué grado se calentaría cuando comenzara a apagarse y dónde se produciría el daño resultante al imán", dice. Como se describe en detalle en uno de los nuevos informes, "esa prueba en realidad nos dijo exactamente la física que estaba sucediendo, y nos dijo qué modelos eran útiles en el futuro y cuáles dejar de lado porque no son correctos".

Whyte dice: “Básicamente, hicimos lo peor posible con una bobina, a propósito, después de haber probado todos los demás aspectos del rendimiento de la bobina. Y descubrimos que la mayor parte de la bobina sobrevivió sin sufrir daños”, mientras que un área aislada sufrió algo de fusión. "Es como un pequeño porcentaje del volumen de la bobina que se dañó". Y eso llevó a revisiones en el diseño que se espera que eviten tales daños en los imanes del dispositivo de fusión real, incluso en las condiciones más extremas.

Hartwig enfatiza que una de las principales razones por las que el equipo pudo lograr un nuevo diseño de imán tan radical y récord, y hacerlo bien la primera vez y en un cronograma vertiginoso, fue gracias al profundo nivel de conocimiento, experiencia y equipo acumulado durante décadas de funcionamiento del tokamak Alcator C-Mod, el Laboratorio Francis Bitter Magnet y otros trabajos realizados en PSFC. "Esto va al corazón de las capacidades institucionales de un lugar como este", afirma. "Teníamos la capacidad, la infraestructura, el espacio y la gente para hacer estas cosas bajo un mismo techo".

La colaboración con CFS también fue clave, ya que el MIT y CFS combinaron los aspectos más poderosos de una institución académica y una empresa privada para hacer cosas juntos que ninguno de los dos podría haber hecho por sí solo. “Por ejemplo, una de las principales contribuciones del CFS fue aprovechar el poder de una empresa privada para establecer y ampliar una cadena de suministro a un nivel y un cronograma sin precedentes para el material más crítico del proyecto: un superconductor de alta temperatura, que se adquirió con un riguroso control de calidad en menos de un año y se integró en el imán según lo previsto”.

La integración de los dos equipos, el del MIT y el del CFS, también fue crucial para el éxito, afirma. "Nos consideramos un solo equipo y eso hizo posible hacer lo que hicimos".