Tokamaks y la razón por la que todavía no son eficientes

Bueno, una gran cantidad de países, después del punto de equilibrio ( en realidad , el 60% de la producción sobre la energía de entrada) en energía del prototipo tokamak en JET se unieron para crear ITER, un diseño prototipo de Tokamak diseñado para tener energía de salida en megavatios.

Si está interesado, debe ir a las preguntas frecuentes del enlace proporcionado para ITER.

Existen proyectos alternativos:

De los "conceptos de confinamiento magnético" para fusión (principalmente tokamaks y stellarators), la principal ventaja de ITER y su tecnología tokamak es que, por el momento, el concepto tokamak es, con diferencia, el más avanzado en la producción de energía de fusión. En consecuencia, es el pragmatismo lo que dictó la elección del concepto tokamak para ITER. Los stellarators son inherentemente más complejos que los tokamaks (por ejemplo, los diseños optimizados no eran posibles antes de la llegada de las supercomputadoras), pero pueden tener ventajas en cuanto a la confiabilidad de la operación. El Stellarator W7-X, actualmente en construcción en Greifswald, Alemania, permitirá una buena evaluación comparativa con el rendimiento de tokamaks comparables. Estos resultados se incorporarán en las decisiones sobre cómo se verá DEMO, el dispositivo de fusión de próxima generación después de ITER.

Los "conceptos de fusión inercial" son algo bastante diferente. Estas tecnologías se han desarrollado principalmente para simular explosiones nucleares y no se planificaron originalmente para producir energía de fusión. El concepto de fusión inercial no ha demostrado hasta ahora que ofrezca un camino mejor o más corto que el confinamiento magnético para la producción de energía. En Europa, los Programas Marco de Euratom no financian la investigación sobre fusión inercial, pero el programa mantiene un "informe de observación" sobre los desarrollos.

La eficiencia de los tokamaks aumenta con las dimensiones, y por eso ITER es mucho más grande que JET.

La motivación para buscar la fusión es clara, pero actualmente existen varios desafíos principales de física e ingeniería:

• Tiempo de confinamiento: Un reactor en operación requiere un largo tiempo de confinamiento de energía,$\tau_E$. Se ha encontrado que una ley de escala empírica para el tiempo de confinamiento depende del tamaño del tokamak como$\tau_E \propto R^{2.04} a^{1.04}$, dónde$R$es el radio mayor y$a$es el radio menor del tokamak. Por lo tanto más grande es mejor para el tiempo de confinamiento. ¿Podemos crear tiempos de confinamiento suficientemente largos para la producción de energía?
• Modos localizados en el borde (ELM): se trata de interrupciones cuasi periódicas debidas a la autoorganización del plasma. Liberan grandes cargas de calor en el recipiente de contención pero también disminuyen la acumulación de impurezas en el plasma. ¿Podemos controlar la producción de ELM?
• Supervivencia del componente frente al plasma: existe el riesgo de que el reactor se derrita o se erosione con un tiempo de ejecución prolongado. ¿Podemos diseñar material que sobreviva al bombardeo prolongado de neutrones y la exposición al plasma desconfinado?
• Reproducción de tritio: el tritio es uno de los ingredientes del combustible de fusión de los reactores de primera generación. Con una vida media de 12 años, no sobrevive mucho tiempo en la naturaleza y debe ser producido recientemente en el laboratorio. ¿Podemos generar tritio a partir de neutrones de fusión y litio in situ? Los reactores de segunda generación solo quemarán deuterio, un isótopo de hidrógeno mucho más abundante que el tritio.
• Control de retroalimentación: los hermanos Wright fueron los primeros en volar un avión de ala fija en parte porque introdujeron una forma novedosa de controlar su avión. ¿Podemos diseñar algoritmos y herramientas de control inteligentes que supriman y controlen las inestabilidades del plasma, permitiendo un "vuelo" estable del reactor?
• Costo: ¿Podemos construir un reactor de fusión que compita económicamente con las centrales eléctricas renovables y no renovables existentes (teniendo en cuenta el costo externo de la energía no renovable, si es necesario)?

Se ha avanzado mucho, pero es necesario superar estos problemas actuales antes de que los tokamaks se utilicen como generadores.

Para obtener mucha energía de un reactor de fusión, se necesitan muchos eventos de fusión DT por segundo, y esto significa una combinación de densidad razonablemente alta y temperatura muy alta. Esto es extraordinariamente difícil de lograr. En particular, a medida que intenta aumentar la densidad del plasma, se vuelve cada vez más difícil mantener el plasma en un estado estable.

Se han realizado estudios sobre el uso de otras geometrías para los campos magnéticos, y estos pueden ser más fáciles de usar. Consulte este artículo para obtener detalles o busque en Google muchos artículos similares. Sin embargo, son los primeros días y, que yo sepa, nadie ha utilizado este tipo de geometría en un reactor de fusión.

Personalmente, creo que la geometría de la rosquilla es defectuosa. Una geometría en forma de huevo sería más adecuada, ya que la energía naturalmente quiere formar un vórtice (convección) con las diferencias de temperatura. CALIENTE en un vórtice central y frío en el borde exterior. El calor se expande para enfriarse y el frío se contrae para calentarse. Además, sin un punto central de enfoque en la rosquilla, no imita la realidad de la operación del sol. Seguramente deberíamos asimilar el sol y copiar. Sin centro, no hay ningún lugar para que la energía se concentre y no hay centro de gravedad.