Los científicos del MIT han alcanzado una de las metas necesarias para proseguir en la construcción de su prometedor reactor de fusión nuclear. Un hito que les permite seguir siendo optimistas de cara a 2025, fecha que tienen marcada para la creación de SPARC y posteriormente ARC, la alternativa más compacta y económica del ITER. Estos días el equipo de investigadores ha mostrado el imán superconductor de alta temperatura más potente del mundo para la creación del reactor de fusión nuclear.
Un imán que ha sido capaz de alcanzar un campo magnético de 20 teslas. Esto es, un campo magnético de récord capaz de poder levantar el equivalente a 739 Falcon 9 de SpaceX. Pese a que esta cifra no permite definir todas las propiedades interesantes de un imán superconductor para la fusión nuclear, podemos hacernos una idea de su magnitud si lo comparamos con los 11,8 teslas de los imanes que se utilizarán en el ITER o los 8,3 teslas que tienen los imanes utilizados en el acelerador de partículas LHC.
Un poderoso imán superconductor que da alas al reactor SPARC
La comparación con el ITER es inevitable, si bien los dos grandes proyectos para alcanzar la fusión nuclear tienen una estrategia distinta. En el caso del proyecto del MIT y Commonwealth Fusion Systems, su reactor será un tokamak formado por 18 imanes, equivalentes a los que esta semana han logrado comprobar que son capaces de producir de manera estable el campo magnético necesario para intentar producir de forma eficiente energía mediante fusión nuclear.
Recreación del SPARC. Imagen: T. Henderson, CFS/MIT-PSFC, 2020
Con un peso de 9,2 toneladas y un tamaño de 3,3 metros de radio, el imán superconductor del MIT produce un campo magnético hasta doce veces más intenso que el de una máquina de resonancia magnética, pero lo hace consumiendo únicamente 30 vatios de energía. Una cantidad ridícula, más si lo comparamos con los 200 millones de vatios que consumían los imanes tradicionales con cableado de cobre que anteriormente probó el mismo equipo, según describe Dennis Whyte, cofundador de CFS.
Los imanes del ITER dispondrán de un campo magnético menos intenso, pero su mayor radio (6,2 metros) permitirá compactar un volumen de plasma mayor. Y es que en la estabilización del plasma está uno de los desafíos para alcanzar la fusión nuclear. Se trata de un proceso que teóricamente está muy estudiado, pero requiere de una ingeniería de alto nivel para poder llegar a producir una reacción de energía rentable.
Commonwealth Fusion Systems, la empresa de ingenieros del MIT detrás del reactor de fusión nuclear, lleva varios años trabajando en este proyecto, ha recibido más de 250 millones de dólares y emplea a más de 150 trabajadores. Su intención es construir su primer reactor en 2025 y tener en 2030 los primeros reactores comercialmente viables. Unas fechas considerablemente más optimistas que las marcadas por ITER, un proyecto más grande y ambicioso que no tiene previsto fusionar núcleos de tritio y deuterio antes de 2035.
La construcción de este nuevo imán estaba considerado el mayor obstáculo para obtener el reactor de fusión nuclear. ¿Cómo lo han logrado? La solución se ha obtenido a través del uso de nuevos materiales superconductores. En concreto, el imán está alimentado por bobinas de un material superconductor de alta temperatura denominado ReBCO (Óxido de cobre y bario de tierras raras). Un material con el que trabajan a una temperatura de 20 Kelvin.
"El material magnético es solo una parte del desafío de la ingeniería. Debe mantenerse en su lugar mediante una estructura que pueda soportar tanto temperaturas extremas como fuerzas extremas", explica Brian LaBombard, investigador de Commonwealth Fusion Systems. Para que esta estructura alcanzara los 20 teslas se tuvo que enfriar durante dos semanas y luego aumentar gradualmente la corriente a través del superconductor. Y aquí es donde entra la "magia" del material superconductor, ya que en este proceso se perdió mucha menos energía que con el cobre normal.
Pila de bobinas superconductoras. Imagen: Commonwealth Fusion Systems.
Las magnitudes totales abruman. Para el "pequeño" imán superconductor del MIT fueron necesarios 270 kilómetros de este material superconductor.
Tener un campo magnético más potente permitirá teóricamente tener reactores más pequeños. De nuevo dos estrategias diferenciadas para intentar el objetivo de generar energía mediante fusión nuclear.
La cifra de los 20 teslas es de récord para la construcción de un imán superconductor para fusión nuclear, pero no supone la creación del campo magnético más potente. El equipo de Magnet Lab lograba alcanzar 32 teslas con un diámetro de 34 mm y el récord lo vimos en 2019 con hasta 45,5 teslas. Si bien, el mérito del equipo de CFS es la producción de un imán que luego deberán replicar para la construcción del tokamak.
"Nos basamos en la física de plasma convencional y los diseños ya conocidos de tokamak, pero aplicando una nueva tecnología de imanes", explica Martin Greenwald, subdirector en el Plasma Science and Fusion Center (PSFC). Aunque todavía hay mucho trabajo por delante, la creación de estos imanes supone un importante paso en la persecución de la energía de fusión nuclear.
"Ahora soy genuinamente optimista de que SPARC puede lograr energía neta positiva, en función del rendimiento demostrado de los imanes", concluye Maria Zuber, vicepresidenta de investigación del MIT.
Más información | MIT
Imagen | Gretchen Ertl, CFS/MIT-PSFC, 2021
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