El poder de la fusion

El experimento de fusión magnética de Torus (JET) en 1991

La energía de fusión es una forma propuesta de generación de energía que generaría electricidad mediante el uso del calor de las reacciones de fusión nuclear. En un proceso de fusión, dos núcleos atómicos más livianos se combinan para formar un núcleo más pesado, mientras liberan energía. Los dispositivos diseñados para aprovechar esta energía se conocen como reactores de fusión. La investigación sobre reactores de fusión comenzó en la década de 1940, pero a partir de 2022, solo un diseño, una máquina de fusión impulsada por láser de confinamiento inercial en la Instalación Nacional de Ignición de EE. UU., ha producido de manera concluyente un factor de ganancia de energía de fusión positivo, es decir, más potencia de salida que de entrada.

Los procesos de fusión requieren combustible y un entorno confinado con suficiente temperatura, presión y tiempo de confinamiento para crear un plasma en el que pueda ocurrir la fusión. La combinación de estas cifras que da como resultado un sistema productor de energía se conoce como el criterio de Lawson. En las estrellas, el combustible más común es el hidrógeno, y la gravedad proporciona tiempos de confinamiento extremadamente largos que alcanzan las condiciones necesarias para la producción de energía de fusión. Los reactores de fusión propuestos generalmente usan isótopos pesados de hidrógeno como el deuterio y el tritio (y especialmente una mezcla de los dos), que reaccionan más fácilmente que el protio (el isótopo de hidrógeno más común), para permitirles alcanzar los requisitos del criterio de Lawson con condiciones menos extremas.. La mayoría de los diseños tienen como objetivo calentar su combustible a alrededor de 100 millones de grados, lo que presenta un gran desafío para producir un diseño exitoso.

Como fuente de energía, se espera que la fusión nuclear tenga muchas ventajas sobre la fisión. Estos incluyen radioactividad reducida en operación y pocos desechos nucleares de alto nivel, amplios suministros de combustible y mayor seguridad. Sin embargo, la combinación necesaria de temperatura, presión y duración ha demostrado ser difícil de producir de manera práctica y económica. Un segundo problema que afecta las reacciones comunes es el manejo de los neutrones que se liberan durante la reacción, que con el tiempo degradan muchos materiales comunes que se usan dentro de la cámara de reacción.

Los investigadores de Fusion han investigado varios conceptos de confinamiento. El énfasis inicial estaba en tres sistemas principales: z-pinch, stellarator y espejo magnético. Los diseños punteros actuales son el tokamak y el confinamiento inercial (ICF) por láser. Ambos diseños están bajo investigación a gran escala, en particular el tokamak ITER en Francia y el láser de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) en los Estados Unidos. Los investigadores también están estudiando otros diseños que pueden ofrecer enfoques más económicos. Entre estas alternativas, existe un interés creciente en la fusión de objetivos magnetizados y el confinamiento electrostático inercial, y nuevas variaciones del stellarator.

Antecedentes

El Sol, como otras estrellas, es un reactor de fusión natural, donde la nucleosíntesis estelar transforma elementos más ligeros en elementos más pesados con la liberación de energía.

Energía vinculante para diferentes núcleos atómicos. Iron-56 tiene el más alto, lo que lo convierte en el más estable. Nuclei a la izquierda es probable que liberen energía cuando se fusionan (fusión); aquellos a la extrema derecha son probablemente inestables y liberan energía cuando se dividen (fisión).

Mecanismo

Las reacciones de fusión ocurren cuando dos o más núcleos atómicos se acercan lo suficiente durante el tiempo suficiente para que la fuerza nuclear que los une supere la fuerza electrostática que los separa, fusionándolos en núcleos más pesados. Para núcleos más pesados que el hierro-56, la reacción es endotérmica y requiere un aporte de energía. Los núcleos pesados más grandes que el hierro tienen muchos más protones, lo que resulta en una mayor fuerza de repulsión. Para núcleos más livianos que el hierro-56, la reacción es exotérmica y libera energía cuando se fusionan. Dado que el hidrógeno tiene un solo protón en su núcleo, requiere el menor esfuerzo para lograr la fusión y produce la mayor producción neta de energía. Además, dado que tiene un electrón, el hidrógeno es el combustible más fácil de ionizar por completo.

La fuerza fuerte actúa solo en distancias cortas (un femtómetro como máximo, el diámetro de un protón o neutrón), mientras que la fuerza electrostática repulsiva entre núcleos actúa en distancias más largas. Para someterse a la fusión, los átomos de combustible deben recibir suficiente energía cinética para acercarse entre sí lo suficientemente cerca como para que la fuerza fuerte supere la repulsión electrostática. La cantidad de energía cinética necesaria para acercar lo suficiente los átomos de combustible se conoce como la "barrera de Coulomb". Las formas de proporcionar esta energía incluyen acelerar los átomos en un acelerador de partículas o calentarlos a altas temperaturas.

Una vez que un átomo se calienta por encima de su energía de ionización, sus electrones se eliminan. El núcleo desnudo resultante se conoce como ion. Esta ionización crea una nube caliente de iones y electrones libres que antes estaban unidos a ellos, conocida como plasma. Debido a que las cargas están separadas, los plasmas son eléctricamente conductores y controlables magnéticamente. Muchos dispositivos de fusión aprovechan esto para confinar las partículas a medida que se calientan.

Sección transversal

La tasa de reacción de fusión aumenta rápidamente con temperatura hasta que maximiza y luego disminuye gradualmente. La tasa de fusión de deuterio-tritio se eleva a una temperatura inferior (alrededor de 70 keV, o 800 millones de kelvin) y a un valor más alto que otras reacciones comúnmente consideradas para la energía de fusión.

La sección transversal de una reacción, denominada σ, mide la probabilidad de que ocurra una reacción de fusión. Esto depende de la velocidad relativa de los dos núcleos. Las velocidades relativas más altas generalmente aumentan la probabilidad, pero la probabilidad comienza a disminuir nuevamente a energías muy altas.

En un plasma, la velocidad de las partículas se puede caracterizar mediante una distribución de probabilidad. Si el plasma está termalizado, la distribución se parece a una curva de Gauss, o distribución de Maxwell-Boltzmann. En este caso, es útil utilizar la sección transversal promedio de las partículas sobre la distribución de velocidades. Esto se ingresa en la tasa de fusión volumétrica:

Pfusión=nAnB.. σ σ vA,B.. Efusión{displaystyle P_{text{fusion}=n_{A}n_{B}langle sigma v_{A,B}rangle E_{text{fusion}}

donde:

• Pfusión{displaystyle P_{text{fusion}} es la energía hecha por fusión, por tiempo y volumen
• n es la densidad número de especies A o B, de las partículas en el volumen
• .. σ σ vA,B.. {displaystyle langle sigma V_{A,B}rangle } es la sección transversal de esa reacción, promedio sobre todas las velocidades de las dos especies v
• Efusión{displaystyle E_{text{fusion}} es la energía liberada por esa reacción de fusión.

Criterio de Lawson

El criterio de Lawson muestra cómo la producción de energía varía con la temperatura, la densidad y la velocidad de colisión para cualquier combustible dado. Esta ecuación fue fundamental para el análisis de John Lawson del trabajo de fusión con un plasma caliente. Lawson asumió un balance de energía, como se muestra a continuación.

PFuera.=.. captura()Pfusión− − Pconducción− − Pradiación){displaystyle P_{text{out}=eta ¿Por qué?

donde:

• PFuera.{displaystyle P_{text{out}} es la potencia neta de la fusión
• .. captura{displaystyle eta _{text{capture}} es la eficiencia de capturar la salida de la fusión
• Pfusión{displaystyle P_{text{fusion}} es la tasa de energía generada por las reacciones de fusión
• Pconducción{displaystyle P_{text{conduction}} es la pérdida de conducción como masa energética deja el plasma
• Pradiación{displaystyle P_{text{radiation}} son las pérdidas de radiación como las hojas de energía como luz.

Las nubes de plasma pierden energía por conducción y radiación. La conducción se produce cuando los iones, electrones o elementos neutros chocan con otras sustancias, normalmente una superficie del dispositivo, y transfieren una parte de su energía cinética a los otros átomos. La radiación es energía que sale de la nube en forma de luz. La radiación aumenta con la temperatura. Las tecnologías de energía de fusión deben superar estas pérdidas.

Triple producto: densidad, temperatura, tiempo

Fusion trapping (izquierda) contra la temperatura (abajo) para varios enfoques de fusión a partir de 2021, asumiendo el combustible DT

El criterio de Lawson argumenta que una máquina que contiene un plasma termalizado y cuasi-neutral tiene que generar suficiente energía para superar sus pérdidas de energía. La cantidad de energía liberada en un volumen dado es una función de la temperatura y, por lo tanto, de la velocidad de reacción por partícula, la densidad de las partículas dentro de ese volumen y, finalmente, el tiempo de confinamiento, el tiempo que la energía permanece dentro. El volumen. Esto se conoce como el "producto triple": la densidad del plasma, la temperatura y el tiempo de confinamiento.

En confinamiento magnético, la densidad es baja, del orden de un "buen vacío". Por ejemplo, en el dispositivo ITER, la densidad del combustible es de aproximadamente 1,0 × 10¹⁹ m⁻³, que es aproximadamente uno -millonésima densidad atmosférica. Esto significa que la temperatura y/o el tiempo de confinamiento deben aumentar. Las temperaturas relevantes para la fusión se han logrado utilizando una variedad de métodos de calentamiento que se desarrollaron a principios de la década de 1970. En las máquinas modernas, a partir de 2019, el gran problema pendiente era el tiempo de confinamiento. Los plasmas en fuertes campos magnéticos están sujetos a una serie de inestabilidades inherentes, que deben suprimirse para alcanzar duraciones útiles. Una forma de hacer esto es simplemente aumentar el volumen del reactor, lo que reduce la tasa de fuga debido a la difusión clásica. Por eso ITER es tan grande.

Por el contrario, los sistemas de confinamiento inercial se aproximan a valores útiles de triple producto a través de una mayor densidad y tienen intervalos de confinamiento cortos. En NIF, la carga inicial de combustible de hidrógeno congelado tiene una densidad menor que el agua que se incrementa a unas 100 veces la densidad del plomo. En estas condiciones, la tasa de fusión es tan alta que el combustible se fusiona en los microsegundos que tarda el calor generado por las reacciones en separar el combustible. Aunque NIF también es grande, esta es una función de su "controlador" diseño, no inherente al proceso de fusión.

Captura de energía

Se han propuesto múltiples enfoques para capturar la energía que produce la fusión. La más sencilla es calentar un fluido. La reacción D-T comúnmente dirigida libera gran parte de su energía en forma de neutrones de rápido movimiento. Eléctricamente neutro, el neutrón no se ve afectado por el esquema de confinamiento. En la mayoría de los diseños, se captura en una gruesa "manta" de litio que rodea el núcleo del reactor. Cuando es golpeado por un neutrón de alta energía, la manta se calienta. Luego se enfría activamente con un fluido de trabajo que impulsa una turbina para producir energía.

Otro diseño proponía utilizar los neutrones para generar combustible de fisión en una capa de desechos nucleares, un concepto conocido como híbrido de fisión-fusión. En estos sistemas, la producción de energía se ve reforzada por los eventos de fisión y la energía se extrae utilizando sistemas como los de los reactores de fisión convencionales.

Los diseños que utilizan otros combustibles, en particular la reacción de fusión aneutrónica protón-boro, liberan mucha más energía en forma de partículas cargadas. En estos casos, son posibles los sistemas de extracción de energía basados en el movimiento de estas cargas. La conversión de energía directa se desarrolló en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en la década de 1980 como un método para mantener un voltaje directamente utilizando productos de reacción de fusión. Esto ha demostrado una eficiencia de captura de energía del 48 por ciento.

Métodos

Enfoques para la fusión, en familias codificadas en color: Pinch Family (orange), Mirror Family (red), Cusp Systems (violet), Tokamaks & Stellarators (Green), Plasma Structures (gray), Inertial Electrostatic Confinement (amarillo oscuro), Inertial Confinement Fusion (ICF, azul), Plasma Jet Magneto Inertial Fusion (PJMIF, rosa oscuro).

Comportamiento del plasma

El plasma es un gas ionizado que conduce la electricidad. En general, se modela utilizando magnetohidrodinámica, que es una combinación de las ecuaciones de Navier-Stokes que rigen los fluidos y las ecuaciones de Maxwell que rigen el comportamiento de los campos magnéticos y eléctricos. Fusion aprovecha varias propiedades del plasma, que incluyen:

• El plasma autoorganizado conduce campos eléctricos y magnéticos. Sus movimientos generan campos que pueden contener a su vez.
• El plasma diamagnético puede generar su propio campo magnético interno. Esto puede rechazar un campo magnético aplicado externamente, haciéndolo diamagnético.
• Los espejos magnéticos pueden reflejar el plasma cuando se mueve de un campo de baja a alta densidad.^:24

Confinamiento magnético

• Tokamak: el enfoque más bien desarrollado y bien financiado. Este método conduce el plasma caliente alrededor en un toro confinado magnéticamente, con una corriente interna. Cuando esté terminado, ITER se convertirá en la tokamak más grande del mundo. A partir de septiembre de 2018 se estima que 226 tokamaks experimentales fueron planificados, desmantelados o operativos (50) en todo el mundo.
• Tokamak esférico: también conocido como toro esférico. Una variación en la tokamak con una forma esférica.
• Stellarator: Anillos dobles de plasma caliente. El estelar intenta crear un camino de plasma torcido natural, utilizando imanes externos. Los estelaradores fueron desarrollados por Lyman Spitzer en 1950 y evolucionaron en cuatro diseños: Torsatron, Heliotron, Heliac y Helias. Un ejemplo es Wendelstein 7-X, un dispositivo alemán. Es el estelar más grande del mundo.
• Anillos internos: Los estelaradores crean un plasma retorcido usando imanes externos, mientras que los tokamaks lo hacen utilizando una corriente inducida en el plasma. Varias clases de diseños proporcionan este giro usando conductores dentro del plasma. Los primeros cálculos mostraron que las colisiones entre el plasma y los soportes para los conductores eliminarían la energía más rápido que las reacciones de fusión podrían reemplazarla. Las variaciones modernas, incluyendo el Experimento de Dipole Levitado (LDX), utilizan un toro de superconducción sólido que es levitado magnéticamente dentro de la cámara del reactor.
• Espejo magnético: Desarrollado por Richard F. Post y equipos en LLNL en la década de 1960. Los espejos magnéticos reflejan el plasma de ida y vuelta en una línea. Las variaciones incluyeron el Espejo Tandem, botella magnética y el cusp biconico. El gobierno estadounidense construyó una serie de máquinas de espejo en los años 70 y 1980, principalmente en LLNL. Sin embargo, los cálculos en el decenio de 1970 estimaron que era poco probable que estos fueran de utilidad comercial.
• Toro hinchable: Un número de espejos magnéticos se arreglan extremo a extremo en un anillo toroidal. Cualquier iones de combustible que se escapen de uno se limitan en un espejo vecino, permitiendo que la presión plasmática sea elevada arbitrariamente sin pérdida. Una instalación experimental, el ELMO Bumpy Torus o EBT fue construido y probado en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) en la década de 1970.
• Configuración reversada sobre el terreno: Este dispositivo atrapa el plasma en una estructura cuasi-estable autoorganizada; donde el movimiento de partículas hace un campo magnético interno que luego se atrapa.
• Spheromak: Similar a una configuración reversada por campo, una estructura de plasma semiestable hecha usando el campo magnético autogenerado de los plasmas. Una espheromak tiene campos toroidales y poloidales, mientras que una configuración reversada por campo no tiene campo toroidal.
• Dynomak es una esferomacina que se forma y se sostiene mediante inyección de flujo magnético continuo.
• Pincha de campo inversa: Aquí el plasma se mueve dentro de un anillo. Tiene un campo magnético interno. Saliendo del centro de este anillo, el campo magnético revierte la dirección.

Confinamiento inercial

Parcela de resultados de NIF de 2012 a 2021

• Accionamiento indirecto: Lasers calientan una estructura conocida como Hohlraum que se hace tan caliente que comienza a irradiar luz de rayos X. Estas radiografías calientan una pelleta de combustible, lo que la hace colapsar hacia adentro para comprimir el combustible. El sistema más grande que utiliza este método es el Servicio Nacional de Ignición, seguido de cerca por Laser Mégajoule.
• Accionamiento directo: Lasers calientan directamente la pellets de combustible. En el Laboratorio de Energética Laser (LLE) y las instalaciones de GEKKO XII se han llevado a cabo experimentos notables de conducción directa. Las buenas implosiones requieren pellets de combustible con cerca de una forma perfecta para generar una onda de choque interior simétrica que produce el plasma de alta densidad.
• ignición rápida: Este método utiliza dos explosiones láser. La primera explosión comprime el combustible de fusión, mientras que la segunda lo encenderá. A partir de 2019 esta técnica había perdido el favor de la producción de energía.
• fusión inercial Magneto o Fusión Inercial Liner Magnetizada: Esto combina un pulso láser con una pizca magnética. La comunidad de pinchos se refiere a ella como fusión inercial de línea magnetizada mientras que la comunidad ICF se refiere a ella como fusión magneto-inercial.
• Ion Beams: Las vigas Ion reemplazan las vigas láser para calentar el combustible. La diferencia principal es que el rayo tiene impulso debido a la masa, mientras que los láseres no. A partir de 2019 parece poco probable que las vigas de iones puedan estar suficientemente enfocadas espacialmente y a tiempo.
• Z-machine: Envía una corriente eléctrica a través de alambres de tungsteno delgados, calentarlos suficientemente para generar rayos X. Al igual que el enfoque indirecto de la unidad, estos rayos X comprime una cápsula de combustible.

Pellizcos magnéticos o eléctricos

• Z-pinch: Una corriente viaja en la dirección z a través del plasma. La corriente genera un campo magnético que comprime el plasma. Pinches fueron el primer método para la fusión controlada por el hombre. El z-pinch tiene inestabilidades inherentes que limitan su compresión y calefacción a valores demasiado bajos para la fusión práctica. La máquina más grande, la ZETA del Reino Unido, fue el último experimento importante del tipo. Los problemas en z-pinch llevaron al diseño tokamak. El enfoque de plasma denso es una variación posiblemente superior.
• Theta-pinch: Un círculo actual alrededor del exterior de una columna de plasma, en la dirección theta. Esto induce un campo magnético corriendo por el centro del plasma, en lugar de alrededor. El dispositivo Theta-pinch temprano Scylla fue el primero en demostrar de forma concluyente la fusión, pero luego el trabajo demostró que tenía límites inherentes que lo hicieron ininteresante para la producción de energía.
• Zapato estabilizado Z-Pinch: La investigación en la Universidad de Washington bajo Uri Shumlak investigó el uso de la estabilización de flujos desgarrados para suavizar las inestabilidades de los reactores Z-pinch. Esto implica acelerar el gas neutro a lo largo del eje de la pizca. Las máquinas experimentales incluyeron los reactores experimentales FuZE y Zap Flow Z-Pinch. En 2017, el inversor de tecnología británico y el empresario Benj Conway, junto con físicos Brian Nelson y Uri Shumlak, cofundieron Zap Energy para intentar comercializar la tecnología para la producción de energía.
• Screw Pinch: Este método combina un teta y z-pinch para mejorar la estabilización.

Confinamiento electrostático inercial

• Fusor: Un campo eléctrico calienta iones a las condiciones de fusión. La máquina utiliza normalmente dos jaulas esféricas, una catoda dentro del ánodo, dentro de un vacío. Estas máquinas no se consideran un enfoque viable de la energía neta debido a su elevada conducción y pérdidas de radiación. Son lo suficientemente simples para construir que los aficionados han fusionado átomos usando ellos.
• Polywell: Intenta combinar el confinamiento magnético con campos electrostáticos, para evitar las pérdidas de conducción generadas por la jaula.

Otro

• Fusión de destino magnetizada: Confines el plasma caliente usando un campo magnético y lo exprime usando inercia. Ejemplos incluyen la máquina LANL FRX-L, Fusión General (compración de piston con forro de metal líquido), Fusión HyperJet (presión de chorro de plasma con forro de plasma).
• Incontrolado: La fusión ha sido iniciada por el hombre, utilizando explosiones de fisión incontroladas para estimular la fusión. Las primeras propuestas de potencia de fusión incluyeron el uso de bombas para iniciar reacciones. Véase Proyecto PACER.
• Fusión de haz: Un rayo de partículas de alta energía disparadas a otro rayo o objetivo puede iniciar la fusión. Esto se utilizó en la década de 1970 y 1980 para estudiar las secciones transversales de reacciones de fusión. Sin embargo, los sistemas de haz no se pueden utilizar para el poder porque mantener un haz coherente toma más energía de lo que viene de la fusión.
• Muon-catalyzed fusión: Este enfoque reemplaza electrones en moléculas diatómicas de isótopos de hidrógeno con muones, partículas más masivas con la misma carga eléctrica. Su mayor masa comprime el núcleo lo suficiente como para que la interacción fuerte pueda causar fusión. A partir de 2007 la producción de muones requería más energía de la que se puede obtener de la fusión moon-catalyzed.

Herramientas comunes

Se emplean muchos enfoques, equipos y mecanismos en varios proyectos para abordar el calentamiento por fusión, la medición y la producción de energía.

Redes neuronales

Se ha utilizado un sistema de aprendizaje de refuerzo profundo para controlar un reactor basado en tokamak. La IA pudo manipular las bobinas magnéticas para administrar el plasma. El sistema pudo ajustarse continuamente para mantener un comportamiento apropiado (más complejo que los sistemas basados en pasos). En 2014, Google comenzó a trabajar con la empresa de fusión TAE Technologies, con sede en California, para controlar el Joint European Torus (JET) para predecir el comportamiento del plasma. DeepMind también ha desarrollado un esquema de control con TCV.

Calefacción

• Calefacción electrostática: un campo eléctrico puede funcionar en iones cargados o electrones, calentarlos.
• Inyección de haz neutro: el hidrógeno es ionizado y acelerado por un campo eléctrico para formar una viga cargada que se escudriña a través de una fuente de gas de hidrógeno neutro hacia el plasma ionizado y contenido por un campo magnético. Algunos de los gases de hidrógeno intermedios se aceleran hacia el plasma por colisiones con el haz cargado mientras permanecen neutrales: este haz neutro no se ve afectado por el campo magnético y así llega al plasma. Una vez dentro del plasma, el haz neutro transmite energía al plasma por colisiones que lo ionizan y permiten que sea contenido por el campo magnético, calentando y repostando el reactor en una operación. El resto de la viga cargada es desviada por campos magnéticos sobre vertederos de haz refrigerados.
• Calefacción de frecuencia de radio: una onda de radio hace que el plasma oscila (es decir, horno de microondas). Esto también se conoce como calefacción de resonancia de ciclotrones electrones, utilizando por ejemplo girotrones, o calefacción dieléctrica.
• Reconexión magnética: cuando el plasma se densa, sus propiedades electromagnéticas pueden cambiar, lo que puede conducir a la reconexión magnética. La reconexión ayuda a la fusión porque descarga instantáneamente energía en un plasma, calentarlo rápidamente. Hasta el 45% de la energía del campo magnético puede calentar los iones.
• oscilaciones magnéticas: se pueden suministrar diferentes corrientes eléctricas a bobinas magnéticas que calientan el plasma confinado dentro de una pared magnética.
• Aniquilación antiprotones: los antiprotones inyectados en una masa de combustible de fusión pueden inducir reacciones termonucleares. Esta posibilidad como método de propulsión de naves espaciales, conocido como propulsión de pulso nuclear antimateria, fue investigada en la Universidad Estatal de Pensilvania en relación con el proyecto AIMStar propuesto.

Medición

Los diagnósticos de un reactor científico de fusión son extremadamente complejos y variados. Los diagnósticos necesarios para un reactor de potencia de fusión serán variados pero menos complicados que los de un reactor científico, ya que en el momento de la comercialización se habrán perfeccionado muchos diagnósticos de control y retroalimentación en tiempo real. Sin embargo, el entorno operativo de un reactor de fusión comercial será más duro para los sistemas de diagnóstico que en un reactor científico porque las operaciones continuas pueden implicar temperaturas de plasma más altas y niveles más altos de irradiación de neutrones. En muchos enfoques propuestos, la comercialización requerirá la capacidad adicional para medir y separar los gases desviadores, por ejemplo, helio e impurezas, y para monitorear la reproducción de combustible, por ejemplo, el estado de un revestimiento de litio líquido de reproducción de tritio. Las siguientes son algunas técnicas básicas.

• Bucle de flujo: se inserta un bucle de alambre en el campo magnético. A medida que el campo pasa por el bucle, se hace una corriente. La corriente mide el flujo magnético total a través de ese bucle. Esto se ha utilizado en el Experimento Estelar Compacto Nacional, el poliwell y las máquinas LDX. Una sonda Langmuir, un objeto metálico colocado en un plasma, puede ser empleado. Se aplica un potencial, dándole un voltaje contra el plasma circundante. El metal recoge partículas cargadas, dibujando una corriente. A medida que el voltaje cambia, la corriente cambia. Esto hace una curva IV. La válvula IV se puede utilizar para determinar la densidad, potencial y temperatura del plasma local.
• Thomson dispersa: "Light scatters" de plasma se puede utilizar para reconstruir el comportamiento plasmático, incluyendo densidad y temperatura. Es común en la fusión de confinamiento inercial, Tokamaks y fusores. En los sistemas ICF, disparando un segundo rayo en una lámina de oro adyacente al objetivo hace rayos X que atraviesan el plasma. En tokamaks, esto se puede hacer utilizando espejos y detectores para reflejar la luz.
• Detectores de neutrones: Varios tipos de detectores de neutrones pueden registrar la velocidad a la que se producen neutrones.
• Detectores de rayos X Los rayos Visibles, IR, UV y X son emitidos en cualquier momento que una partícula cambia la velocidad. Si la razón es la deflexión por un campo magnético, la radiación es la radiación ciclotron a bajas velocidades y la radiación sincrotron a altas velocidades. Si la razón es la deflexión por otra partícula, el plasma irradia rayos X, conocida como radiación Bremsstrahlung.

Producción de energía

Las mantas de neutrones absorben neutrones, lo que calienta la manta. La energía se puede extraer de la manta de varias maneras:

• Las turbinas de vapor pueden ser impulsadas por el calor transferido a un fluido de trabajo que se convierte en vapor, conduciendo generadores eléctricos.
• Mantas de neutrones: Estos neutrones pueden regenerar el combustible de fisión gastada. El tritio se puede producir utilizando una manta de cría de litio líquido o una cama de piedra enfriada de helio hecha de guijarros de cerámica de litio.
• Conversión directa: La energía cinética de una partícula se puede convertir en tensión. Fue sugerido por primera vez por Richard F. Post en conjunto con espejos magnéticos, a finales del decenio de 1960. Se ha propuesto para configuraciones revisadas por campo, así como dispositivos Dense Plasma Focus. El proceso convierte una gran fracción de la energía aleatoria de los productos de fusión en movimiento dirigido. Las partículas se recogen en electrodos en varios grandes potenciales eléctricos. Este método ha demostrado una eficiencia experimental del 48 por ciento.
• Los tubos de onda itinerante pasan átomos de helio cargados en varios megavoltios y simplemente saliendo de la reacción de fusión a través de un tubo con una bobina de alambre alrededor del exterior. Esta carga que pasa a alta tensión tira la electricidad a través del alambre.

Confinamiento

Espacio parámetro ocupado por energía de fusión inercial y dispositivos de energía de fusión magnética a mediados de los años 1990. El régimen que permite el ignición termonuclear con gran ganancia está cerca de la esquina superior derecha de la parcela.

El confinamiento se refiere a todas las condiciones necesarias para mantener un plasma denso y caliente el tiempo suficiente para someterse a la fusión. Principios generales:

• Equilibrio: Las fuerzas que actúan en el plasma deben ser equilibradas. Una excepción es el confinamiento inercial, donde la fusión debe ocurrir más rápido que el tiempo de dispersión.
• Estabilidad: El plasma debe construirse para que las perturbaciones no conduzcan a la dispersión plasmática.
• Transporte o conducción: La pérdida de material debe ser lo suficientemente lenta. El plasma lleva energía apagada con él, por lo que la pérdida rápida del material perturbará la fusión. El material se puede perder mediante el transporte a diferentes regiones o la conducción a través de un sólido o líquido.

Para producir una fusión autosuficiente, parte de la energía liberada por la reacción debe usarse para calentar nuevos reactivos y mantener las condiciones para la fusión.

Confinamiento magnético

Espejo magnético

Efecto espejo magnético. Si una partícula sigue la línea de campo y entra en una región de mayor intensidad de campo, las partículas pueden reflejarse. Varios dispositivos aplican este efecto. Las más famosas fueron las máquinas de espejos magnéticos, una serie de dispositivos construidos en LLNL entre los años 60 y 80. Otros ejemplos incluyen botellas magnéticas y cúspide bicónica. Debido a que las máquinas de espejos eran rectas, tenían algunas ventajas sobre los diseños en forma de anillo. Los espejos fueron más fáciles de construir y mantener y la captura de energía de conversión directa fue más fácil de implementar. El mal confinamiento llevó a abandonar este enfoque, excepto en el diseño del polipozo.

Bucles Magnéticos

Los bucles magnéticos doblan las líneas de campo sobre sí mismas, ya sea en círculos o, más comúnmente, en superficies toroidales anidadas. Los sistemas de este tipo más desarrollados son el tokamak, el stellarator y el pinch de campo inverso. Los toroides compactos, especialmente la configuración de campo invertido y el spheromak, intentan combinar las ventajas de las superficies magnéticas toroidales con las de una máquina simplemente conectada (no toroidal), lo que da como resultado un área de confinamiento mecánicamente más simple y más pequeña.

Confinamiento inercial

El confinamiento inercial es el uso de la implosión rápida para calentar y confinar el plasma. Un caparazón que rodea el combustible se implosiona usando un rayo láser directo (impulso directo), un rayo secundario de rayos X (impulso indirecto) o haces pesados. El combustible debe comprimirse a unas 30 veces la densidad sólida con haces energéticos. En principio, la impulsión directa puede ser eficiente, pero la uniformidad insuficiente ha impedido el éxito.^:19–20 La impulsión indirecta utiliza rayos para calentar un caparazón, haciendo que el caparazón irradie rayos X, que luego hacen implosionar la bolita. Los haces suelen ser rayos láser, pero se han investigado haces de iones y electrones.^:182–193

Confinamiento electrostático

Los dispositivos de fusión por confinamiento electrostático utilizan campos electrostáticos. El más conocido es el fusor. Este dispositivo tiene un cátodo dentro de una jaula de alambre de ánodo. Los iones positivos vuelan hacia la jaula interna negativa y son calentados por el campo eléctrico en el proceso. Si no llegan a la jaula interior, pueden chocar y fusionarse. Sin embargo, los iones típicamente golpean el cátodo, creando pérdidas de conducción prohibitivas. Las velocidades de fusión en los fusores son bajas debido a los efectos físicos que compiten entre sí, como la pérdida de energía en forma de radiación de luz. Se han propuesto diseños para evitar los problemas asociados con la jaula, generando el campo utilizando una nube no neutra. Estos incluyen un dispositivo de oscilación de plasma, una rejilla protegida magnéticamente, una trampa de encierro, el pozo de polietileno y el concepto de controlador de cátodo F1.

Combustibles

Todos los combustibles considerados para la energía de fusión han sido elementos ligeros como los isótopos de hidrógeno: protio, deuterio y tritio. La reacción del deuterio y el helio-3 requiere helio-3, un isótopo de helio tan escaso en la Tierra que tendría que ser extraído de forma extraterrestre o producido por otras reacciones nucleares. En última instancia, los investigadores esperan adoptar la reacción de protio-boro-11, porque no produce neutrones directamente, aunque las reacciones secundarias sí pueden.

Deuterio, tritio

Diagrama de la reacción D-T

La reacción nuclear más fácil, con la energía más baja, es D+T:

21D + 31T → 42He (3.5 MeV) + 10n (14.1 MeV)

Esta reacción es común en aplicaciones militares, industriales y de investigación, generalmente como fuente de neutrones. El deuterio es un isótopo natural de hidrógeno y está comúnmente disponible. La gran proporción de masa de los isótopos de hidrógeno facilita su separación en comparación con el proceso de enriquecimiento de uranio. El tritio es un isótopo natural del hidrógeno, pero debido a que tiene una vida media corta de 12,32 años, es difícil de encontrar, almacenar, producir y es costoso. En consecuencia, el ciclo de combustible deuterio-tritio requiere la obtención de tritio a partir de litio mediante una de las siguientes reacciones:

¹
₀n
+ ⁶
₃Li
→ ³
₁T
+ ⁴
₂Él

¹
₀n
+ ⁷
₃Li
→ ³
₁T
+ ⁴
₂Él
+ ¹
₀n

El neutrón reactivo lo suministra la reacción de fusión D-T que se muestra arriba y es la que tiene el mayor rendimiento energético. La reacción con ⁶Li es exotérmica, proporcionando una pequeña ganancia de energía para el reactor. La reacción con ⁷Li es endotérmica, pero no consume el neutrón. Se requieren reacciones de multiplicación de neutrones para reemplazar los neutrones perdidos por absorción por otros elementos. Los principales materiales candidatos para la multiplicación de neutrones son el berilio y el plomo, pero la reacción ⁷Li ayuda a mantener alta la población de neutrones. El litio natural es principalmente ⁷Li, que tiene una sección transversal de producción de tritio baja en comparación con ⁶Li, por lo que la mayoría de los diseños de reactores utilizan mantas reproductoras con ⁶ enriquecido. Li.

Los inconvenientes comúnmente atribuidos a la energía de fusión D-T incluyen:

• El suministro de neutrones resulta en la activación de neutrones de los materiales del reactor.^:242
• El 80% de la energía resultante es transportada por neutrones, lo que limita el uso de la conversión directa de energía.
• Requiere el tritio radioisótopo. El tritio puede escapar de reactores. Algunas estimaciones sugieren que ello representaría una importante liberación de radiactividad ambiental.

El flujo de neutrones que se espera en un reactor de fusión D-T comercial es unas 100 veces mayor que el de los reactores de potencia de fisión, lo que plantea problemas para el diseño de materiales. Después de una serie de pruebas D-T en JET, el recipiente de vacío era lo suficientemente radiactivo que requirió manejo remoto durante el año siguiente a las pruebas.

En un entorno de producción, los neutrones reaccionarían con el litio en la manta reproductora compuesta de guijarros cerámicos de litio o litio líquido, produciendo tritio. La energía de los neutrones termina en el litio, que luego se transferiría para impulsar la producción eléctrica. El manto de litio protege las partes exteriores del reactor del flujo de neutrones. Los diseños más nuevos, el tokamak avanzado en particular, utilizan litio dentro del núcleo del reactor como elemento de diseño. El plasma interactúa directamente con el litio, previniendo un problema conocido como "reciclado". La ventaja de este diseño se demostró en el experimento Lithium Tokamak.

Deuterio

Sección de fusión de deuterio (en metros cuadrados) en diferentes energías de colisión de iones

La fusión de dos núcleos de deuterio es la segunda reacción de fusión más sencilla. La reacción tiene dos ramas que ocurren con casi la misma probabilidad:

D + D	→ T	+ 1H
D + D	→ 3Él	+ n

Esta reacción también es común en la investigación. La energía óptima para iniciar esta reacción es de 15 keV, solo un poco más alta que la de la reacción D-T. La primera rama produce tritio, por lo que un reactor D-D no está libre de tritio, aunque no requiere aporte de tritio ni de litio. A menos que los tritones se eliminen rápidamente, la mayor parte del tritio producido se quema en el reactor, lo que reduce el manejo del tritio, con la desventaja de producir más neutrones y de mayor energía. El neutrón de la segunda rama de la reacción D-D tiene una energía de solo 2,45 MeV (0,393 pJ), mientras que el neutrón de la reacción D-T tiene una energía de 14,1 MeV (2,26 pJ), lo que da como resultado una mayor producción de isótopos y daños materiales. Cuando los tritones se eliminan rápidamente mientras se permite que el ³He reaccione, el ciclo de combustible se denomina "fusión suprimida de tritio". El tritio eliminado se descompone a ³He con una vida media de 12,5 años. Al reciclar el ³He decaído en el reactor, el reactor de fusión no requiere materiales resistentes a los neutrones rápidos.

Suponiendo que el tritio se queme por completo, la reducción en la fracción de energía de fusión transportada por los neutrones sería de solo un 18 %, por lo que la principal ventaja del ciclo de combustible D-D es que no se requiere la reproducción del tritio. Otras ventajas son la independencia de los recursos de litio y un espectro de neutrones algo más suave. La desventaja de D-D en comparación con D-T es que el tiempo de confinamiento de la energía (a una presión dada) debe ser 30 veces mayor y la potencia producida (a una presión y volumen dados) es 68 veces menor.

Suponiendo la eliminación completa del tritio y el reciclaje de ³He, solo el 6 % de la energía de fusión es transportada por neutrones. La fusión D-D suprimida con tritio requiere un confinamiento de energía que es 10 veces más largo en comparación con D-T y el doble de la temperatura del plasma.

Deuterio, helio-3

Un enfoque de segunda generación para la energía de fusión controlada implica la combinación de helio-3 (³He) y deuterio (²H):

D + 3Él

→ 4Él

+ 1H

Esta reacción produce ⁴He y un protón de alta energía. Al igual que con el ciclo de combustible de fusión aneutrónica p-¹¹B, la mayor parte de la energía de reacción se libera en forma de partículas cargadas, lo que reduce la activación de la carcasa del reactor y potencialmente permite una recolección de energía más eficiente (a través de varias vías). En la práctica, las reacciones secundarias D-D producen una cantidad significativa de neutrones, lo que deja a p-¹¹B como el ciclo preferido para la fusión aneutrónica.

Protón, boro-11

Tanto los problemas de la ciencia de los materiales como las inquietudes sobre la no proliferación se reducen en gran medida con la fusión aneutrónica. En teoría, el combustible aneutrónico más reactivo es el ³He. Sin embargo, obtener cantidades razonables de ³He implica minería extraterrestre a gran escala en la luna o en la atmósfera de Urano o Saturno. Por lo tanto, el combustible candidato más prometedor para dicha fusión es la fusión del protio fácilmente disponible (es decir, un protón) y el boro. Su fusión no libera neutrones, pero produce partículas alfa cargadas energéticas (helio) cuya energía se puede convertir directamente en energía eléctrica:

p + ¹¹B → 3⁴Él

Es probable que las reacciones secundarias produzcan neutrones que transporten solo alrededor del 0,1 % de la potencia,^:177–182 lo que significa que la dispersión de neutrones no se utiliza para la transferencia de energía y la activación del material se reduce varios miles. pliegue. La temperatura óptima para esta reacción de 123 keV es casi diez veces mayor que la de las reacciones de hidrógeno puro, y el confinamiento de energía debe ser 500 veces mejor que el requerido para la reacción D-T. Además, la densidad de potencia es 2500 veces inferior a la de D-T, aunque por unidad de masa de combustible, sigue siendo considerablemente superior a la de los reactores de fisión.

Debido a que las propiedades de confinamiento de la fusión de tokamak y gránulos láser son marginales, la mayoría de las propuestas para la fusión aneutrónica se basan en conceptos de confinamiento radicalmente diferentes, como Polywell y Dense Plasma Focus. En 2013, un equipo de investigación dirigido por Christine Labaune en École Polytechnique, informó un nuevo récord de tasa de fusión para la fusión de protones y boro, con un estimado de 80 millones de reacciones de fusión durante un disparo láser de 1,5 nanosegundos, 100 veces más que lo informado en experimentos anteriores.

Selección de materiales

La estabilidad del material estructural es un tema crítico. Los materiales que pueden sobrevivir a las altas temperaturas y al bombardeo de neutrones experimentados en un reactor de fusión se consideran clave para el éxito. Los problemas principales son las condiciones generadas por el plasma, la degradación de neutrones de las superficies de las paredes y el problema relacionado con las condiciones de la superficie de las paredes del plasma. La reducción de la permeabilidad al hidrógeno se considera crucial para el reciclaje de hidrógeno y el control del inventario de tritio. Los materiales con la menor solubilidad y difusividad de hidrógeno a granel proporcionan los candidatos óptimos para barreras estables. Se han investigado algunos metales puros, incluidos el tungsteno y el berilio, y compuestos como carburos, óxidos densos y nitruros. La investigación ha puesto de relieve que las técnicas de recubrimiento para preparar barreras perfectas y bien adheridas tienen una importancia equivalente. Las técnicas más atractivas son aquellas en las que se forma una capa ad por oxidación únicamente. Los métodos alternativos utilizan entornos de gas específicos con fuertes campos magnéticos y eléctricos. La evaluación del desempeño de la barrera representa un desafío adicional. La permeación de gas de membranas recubiertas clásicas continúa siendo el método más confiable para determinar la eficiencia de la barrera de permeación de hidrógeno (HPB). En 2021, en respuesta al creciente número de diseños de reactores de potencia de fusión para 2040, la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido publicó la Hoja de ruta de materiales de fusión del Reino Unido 2021-2040, que se centra en cinco áreas prioritarias, con un enfoque en los reactores de la familia tokamak:

• Novelar materiales para minimizar la cantidad de activación en la estructura de la planta de energía de fusión;
• Compuestos que se pueden utilizar dentro de la central eléctrica para optimizar la cría de combustible tritio para sostener el proceso de fusión;
• Magnetas e aisladores resistentes a la irradiación de reacciones de fusión, especialmente en condiciones criogénicas;
• Materiales estructurales capaces de retener su fuerza bajo bombardeo de neutrones a altas temperaturas operativas (más de 550 grados C);
• Garantía de ingeniería para materiales de fusión: proporcionar datos de muestra irradiados y predicciones modeladas de tal manera que los diseñadores de plantas, operadores y reguladores tienen confianza en que los materiales son adecuados para su uso en futuras centrales comerciales.

Materiales superconductores

SuperOx fue capaz de producir más de 186 millas de YBCO en nueve meses para su uso en reactores de fusión, superando dramáticamente los objetivos de producción anteriores de la empresa.

En un plasma que está incrustado en un campo magnético (conocido como plasma magnetizado), la tasa de fusión escala como la fuerza del campo magnético a la cuarta potencia. Por esta razón, muchas empresas de fusión que dependen de los campos magnéticos para controlar su plasma están tratando de desarrollar dispositivos superconductores de alta temperatura. En 2021, SuperOx, una empresa rusa y japonesa, desarrolló un nuevo proceso de fabricación para fabricar alambre YBCO superconductor para reactores de fusión. Se demostró que este nuevo cable conduce entre 700 y 2000 amperios por milímetro cuadrado. La empresa pudo producir 186 millas de alambre en nueve meses.

Consideraciones de contención

Incluso en escalas de producción más pequeñas, el aparato de contención está lleno de materia y energía. Los diseños para la contención de plasma deben considerar:

• Un ciclo de calefacción y refrigeración, hasta 10 MW/m² Carga térmica.
• Radiación de neutrones, que a lo largo del tiempo conduce a la activación y embriaguez de neutrones.
• iones de alta energía saliendo a decenas a cientos de electronvoltios.
• Partiendo partículas alfa a millones de electronvoltios.
• Los electrones se van en alta energía.
• Radiación ligera (IR, visible, UV, rayos X).

Dependiendo del enfoque, estos efectos pueden ser mayores o menores que los reactores de fisión. Una estimación sitúa la radiación en 100 veces la de un reactor de agua a presión típico. Dependiendo del enfoque, son importantes otras consideraciones, como la conductividad eléctrica, la permeabilidad magnética y la resistencia mecánica. Los materiales tampoco deben terminar como desechos radiactivos de vida larga.

Condiciones de la superficie de la pared de plasma

Para uso a largo plazo, se espera que cada átomo en la pared sea golpeado por un neutrón y desplazado unas 100 veces antes de que se reemplace el material. Los neutrones de alta energía producen hidrógeno y helio a través de reacciones nucleares que tienden a formar burbujas en los límites de los granos y provocan hinchazón, formación de ampollas o fragilización.

Selección de materiales

Los materiales de baja Z, como el grafito o el berilio, generalmente se prefieren a los materiales de alta Z, generalmente tungsteno con molibdeno como segunda opción. Se han propuesto metales líquidos (litio, galio, estaño), por ejemplo, mediante la inyección de corrientes de 1 a 5 mm de espesor que fluyen a 10 m/s sobre sustratos sólidos.

El grafito presenta una tasa de erosión bruta debido a la pulverización química y física que asciende a muchos metros por año, lo que requiere la redeposición del material pulverizado. El sitio de redeposición generalmente no coincide exactamente con el sitio de pulverización catódica, lo que permite una erosión neta que puede ser prohibitiva. Un problema aún mayor es que el tritio se vuelve a depositar con el grafito vuelto a depositar. El inventario de tritio en la pared y el polvo podría acumularse hasta muchos kilogramos, lo que representaría un desperdicio de recursos y un riesgo radiológico en caso de accidente. El grafito encontró favor como material para experimentos de corta duración, pero parece poco probable que se convierta en el principal material de revestimiento de plasma (PFM) en un reactor comercial.

La tasa de chisporroteo del tungsteno es mucho más pequeña que la del carbono, y el tritio se incorpora mucho menos en el tungsteno redepositado. Sin embargo, las impurezas del plasma de tungsteno son mucho más dañinas que las impurezas de carbono, y la autopulverización puede ser alta, lo que requiere que el plasma en contacto con el tungsteno no esté demasiado caliente (unas pocas decenas de eV en lugar de cientos de eV). El tungsteno también tiene problemas relacionados con las corrientes de Foucault y la fusión en eventos fuera de lo normal, así como algunos problemas radiológicos.

Seguridad y medio ambiente

Posibilidad de accidente

El potencial de accidente y el efecto sobre el medio ambiente son fundamentales para la aceptación social de la fusión nuclear, también conocida como licencia social. Los reactores de fusión no están sujetos a una fusión catastrófica. Requiere parámetros precisos y controlados de temperatura, presión y campo magnético para producir energía neta, y cualquier daño o pérdida del control requerido apagaría rápidamente la reacción. Los reactores de fusión funcionan con segundos o incluso microsegundos de combustible en cualquier momento. Sin reabastecimiento activo, las reacciones se extinguen inmediatamente.

Las mismas restricciones previenen reacciones desbocadas. Aunque se espera que el plasma tenga un volumen de 1000 m³ (35 000 pies cúbicos) o más, el plasma normalmente contiene solo unos pocos gramos de combustible. En comparación, un reactor de fisión generalmente se carga con suficiente combustible para meses o años, y no se necesita combustible adicional para continuar la reacción. Este gran suministro de combustible es lo que ofrece la posibilidad de una fusión.

En la contención magnética, se desarrollan fuertes campos en las bobinas que la estructura del reactor mantiene mecánicamente en su lugar. La falla de esta estructura podría liberar esta tensión y permitir que el imán "explote" exterior. La gravedad de este evento sería similar a la de otros accidentes industriales o la extinción/explosión de una máquina de resonancia magnética, y podría contenerse efectivamente dentro de un edificio de contención similar a los que se usan en los reactores de fisión.

En la contención inercial impulsada por láser, el tamaño más grande de la cámara de reacción reduce la tensión en los materiales. Aunque es posible que falle la cámara de reacción, detener el suministro de combustible evita fallas catastróficas.

La mayoría de los diseños de reactores se basan en hidrógeno líquido como refrigerante y para convertir los neutrones perdidos en tritio, que se retroalimenta al reactor como combustible. El hidrógeno es inflamable y es posible que el hidrógeno almacenado en el lugar se encienda. En este caso, la fracción de tritio del hidrógeno entraría en la atmósfera, lo que supondría un riesgo de radiación. Los cálculos sugieren que estaría presente alrededor de 1 kilogramo (2,2 lb) de tritio y otros gases radiactivos en una central eléctrica típica. La cantidad es lo suficientemente pequeña como para diluirse hasta límites legalmente aceptables cuando lleguen a la cerca del perímetro de la estación.

Se estima que la probabilidad de pequeños accidentes industriales, incluida la liberación local de radiactividad y lesiones al personal, es menor en comparación con la fisión. Incluirían fugas accidentales de litio o tritio o mal manejo de componentes radiactivos del reactor.

Apagado magnético

La extinción de un imán es una terminación anormal de la operación del imán que ocurre cuando parte de la bobina superconductora sale del estado superconductor (se vuelve normal). Esto puede ocurrir porque el campo dentro del imán es demasiado grande, la tasa de cambio del campo es demasiado grande (causando corrientes de Foucault y el calentamiento resultante en la matriz de soporte de cobre) o una combinación de los dos.

Más raramente, un defecto magnético puede causar una extinción. Cuando esto sucede, ese lugar en particular está sujeto a un rápido calentamiento Joule de la corriente, lo que eleva la temperatura de las regiones circundantes. Esto también empuja a esas regiones al estado normal, lo que conduce a un mayor calentamiento en una reacción en cadena. Todo el imán se normaliza rápidamente durante varios segundos, según el tamaño de la bobina superconductora. Esto va acompañado de un fuerte estruendo cuando la energía del campo magnético se convierte en calor y el fluido criogénico se evapora. La disminución abrupta de la corriente puede resultar en picos de voltaje inductivo de kilovoltios y arcos. El daño permanente al imán es raro, pero los componentes pueden dañarse por calentamiento localizado, altos voltajes o grandes fuerzas mecánicas.

En la práctica, los imanes suelen tener dispositivos de seguridad para detener o limitar la corriente cuando se detecta una extinción. Si un imán grande se apaga, el vapor inerte formado por el fluido criogénico que se evapora puede presentar un riesgo significativo de asfixia para los operadores al desplazar el aire respirable.

Una gran parte de los imanes superconductores del Gran Colisionador de Hadrones del CERN se apagó inesperadamente durante las operaciones de puesta en marcha en 2008, lo que destruyó varios imanes. Para evitar que se repita, los imanes superconductores del LHC están equipados con calentadores de rampa rápida que se activan cuando se detecta un evento de extinción. Los imanes de flexión dipolo están conectados en serie. Cada circuito de alimentación incluye 154 imanes individuales y, en caso de que se produzca un evento de apagado, toda la energía almacenada combinada de estos imanes debe descargarse de una vez. Esta energía se transfiere a enormes bloques de metal que se calientan hasta varios cientos de grados centígrados, debido al calentamiento resistivo, en segundos. La extinción de un imán es un "evento bastante rutinario" durante el funcionamiento de un acelerador de partículas.

Efluentes

El producto natural de la reacción de fusión es una pequeña cantidad de helio, que es inofensivo para la vida. El tritio peligroso es difícil de retener por completo. Durante el funcionamiento normal, el tritio se libera continuamente.

Aunque el tritio es volátil y biológicamente activo, el riesgo para la salud que representa una fuga es mucho menor que el de la mayoría de los contaminantes radiactivos, debido a la vida media corta del tritio (12,32 años) y a la energía de descomposición muy baja (~ 14,95 keV) y porque no se bioacumula (se elimina del cuerpo como agua, con una vida media biológica de 7 a 14 días). ITER incorpora instalaciones de contención total para tritio.

Residuos radiactivos

Los reactores de fusión generan mucho menos material radiactivo que los reactores de fisión. Además, el material que crea es menos dañino biológicamente y la radiactividad se disipa en un período de tiempo que se encuentra dentro de las capacidades de ingeniería existentes para el almacenamiento seguro de desechos a largo plazo. En términos específicos, excepto en el caso de la fusión aneutrónica, el flujo de neutrones vuelve radiactivos los materiales estructurales. La cantidad de material radiactivo en el momento de la parada puede ser comparable a la de un reactor de fisión, con diferencias importantes. Las vidas medias de los radioisótopos de fusión y activación de neutrones tienden a ser menores que las de la fisión, por lo que el peligro disminuye más rápidamente. Mientras que los reactores de fisión producen desechos que permanecen radiactivos durante miles de años, el material radiactivo en un reactor de fusión (aparte del tritio) sería el propio núcleo del reactor y la mayor parte sería radiactivo durante unos 50 años, siendo otros desechos de actividad baja radiactivo durante otros 100 años más o menos a partir de entonces. La corta vida media de los desechos de fusión elimina el desafío del almacenamiento a largo plazo. En 500 años, el material tendría la misma radiotoxicidad que la ceniza de carbón. No obstante, la clasificación como desechos de actividad intermedia en lugar de desechos de actividad baja puede complicar las discusiones sobre seguridad.

La elección de materiales está menos restringida que en la fisión convencional, donde se requieren muchos materiales para sus secciones transversales de neutrones específicas. Los reactores de fusión pueden diseñarse utilizando materiales de "baja activación" que no se vuelven radiactivos fácilmente. El vanadio, por ejemplo, se vuelve mucho menos radiactivo que el acero inoxidable. Los materiales de fibra de carbono también son de baja activación, fuertes y livianos, y son prometedores para los reactores de inercia láser donde no se requiere un campo magnético.

Proliferación nuclear

La tecnología de energía de fusión podría adaptarse para producir materiales con fines militares en algunos escenarios. Una central eléctrica de fusión podría producir una gran cantidad de tritio; el tritio se usa en el gatillo de las bombas de hidrógeno y en las modernas armas de fisión potenciadas, pero se puede producir de otras formas. Los neutrones energéticos de un reactor de fusión podrían usarse para producir plutonio o uranio apto para armas para una bomba atómica (por ejemplo, mediante la transmutación de ²³⁸
U a 239Pu, o ²³²
Th a ²³³
U).

Un estudio realizado en 2011 evaluó tres escenarios:

• Estación de fusión a pequeña escala: Como resultado del consumo de energía mucho mayor, la disipación de calor y un diseño más reconocible en comparación con los centrifugadores de gas de enriquecimiento, esta opción sería mucho más fácil de detectar y por lo tanto implausible.
• Local comercial: El potencial de producción es significativo. Pero no es necesario que existan sustancias fértiles o fisibles necesarias para la producción de materiales utilizables para armas en un sistema de fusión civil. Si no es blindado, la detección de estos materiales puede ser realizada por su radiación gamma característica. El rediseño subyacente podría detectarse mediante la verificación periódica de la información de diseño. En el caso (técnicamente más factible) de los módulos de manta maciza, sería necesario inspeccionar componentes entrantes para la presencia de material fértil, de lo contrario el plutonio para varias armas podría producirse cada año.
• Priorizar el material de tipo arma, independientemente del secreto: La manera más rápida de producir material utilizable para armas fue vista en la modificación de una central eléctrica de fusión civil. No se requiere material compatible con armas durante el uso civil. Incluso sin la necesidad de acción encubierta, tal modificación tardaría unos dos meses para iniciar la producción y al menos una semana adicional para generar una cantidad significativa. Se consideró que era tiempo suficiente para detectar un uso militar y reaccionar con medios diplomáticos o militares. Para detener la producción, sería suficiente una destrucción militar de partes de la instalación al salir del reactor.

Otro estudio concluyó: "...los grandes reactores de fusión, incluso si no están diseñados para reproducir material fisible, podrían producir fácilmente varios cientos de kg de Pu por año con armas de alta calidad y muy pocos requisitos de material de origen." Se hizo hincapié en que la implementación de características para la resistencia intrínseca a la proliferación solo podría ser posible en una fase temprana de investigación y desarrollo. Las herramientas teóricas y computacionales necesarias para el diseño de bombas de hidrógeno están estrechamente relacionadas con las necesarias para la fusión por confinamiento inercial, pero tienen muy poco en común con la fusión por confinamiento magnético.

Reservas de combustible

La energía de fusión comúnmente propone el uso de deuterio como combustible y muchos diseños actuales también usan litio. Suponiendo una producción de energía de fusión igual a la producción de energía global de 1995 de aproximadamente 100 EJ/año (= 1 × 10²⁰ J/año) y que esto no aumente en el futuro, lo cual es poco probable, entonces las reservas actuales conocidas de litio durarían 3000 años. Sin embargo, el litio del agua de mar duraría 60 millones de años, y un proceso de fusión más complicado usando solo deuterio tendría combustible para 150 000 millones de años. Para poner esto en contexto, 150 mil millones de años es cerca de 30 veces la vida útil restante del Sol y más de 10 veces la edad estimada del universo.

Economía

La UE gastó casi 10 mil millones de euros durante la década de 1990. ITER representa una inversión de más de veinte mil millones de dólares, y posiblemente decenas de miles de millones más, incluidas las contribuciones en especie. En el marco del Sexto Programa Marco de la Unión Europea, la investigación sobre fusión nuclear recibió 750 millones de euros (además de la financiación del ITER), en comparación con € 810 millones para la investigación de energía sostenible, poniendo la investigación en energía de fusión muy por delante de cualquier tecnología rival. El Departamento de Energía de los Estados Unidos ha asignado $US367M-$US671M cada año desde 2010, alcanzando su punto máximo en 2020, con planes para reducir la inversión a $US425M en su solicitud de presupuesto FY2021. Alrededor de una cuarta parte de este presupuesto se destina a apoyar el ITER.

El tamaño de las inversiones y los plazos de los resultados significan que la investigación sobre fusión ha sido casi exclusivamente financiada con fondos públicos. Sin embargo, en los últimos años, la promesa de comercializar una fuente de energía baja en carbono que cambie el paradigma ha atraído a una gran cantidad de empresas e inversores. Más de dos docenas de empresas emergentes atrajeron más de mil millones de dólares desde aproximadamente 2000 hasta 2020, principalmente desde 2015, y otros tres mil millones en financiamiento y compromisos relacionados con hitos en 2021, con inversores que incluyen a Jeff Bezos, Peter Thiel y Bill Gates, así como como inversores institucionales, incluidos Legal & General y empresas de energía, incluidas Equinor, Eni, Chevron y el grupo chino ENN. Recientemente, las empresas privadas de fusión han atraído inversiones de miles de millones de dólares. Por ejemplo, en 2021, Commonwealth Fusion Systems (CFS) obtuvo 1800 millones de dólares en financiación ampliada y Helion Energy obtuvo 500 millones de dólares con 1700 millones de dólares adicionales supeditados al cumplimiento de hitos.

Los escenarios desarrollados en la década de 2000 y principios de la de 2010 discutieron los efectos de la comercialización de la energía de fusión en el futuro de la civilización humana. Usando la fisión nuclear como guía, estos consideraron que ITER y más tarde DEMO pusieron en línea los primeros reactores comerciales alrededor de 2050 y una rápida expansión después de mediados de siglo. Algunos escenarios enfatizaron las "instalaciones de ciencia nuclear de fusión" como un paso más allá del ITER. Sin embargo, los obstáculos económicos para la energía de fusión basada en tokamak siguen siendo inmensos y requieren inversiones para financiar prototipos de reactores tokamak y el desarrollo de nuevas cadenas de suministro. Los diseños de Tokamak parecen requerir mucha mano de obra, mientras que el riesgo de comercialización de alternativas como la energía de fusión inercial es alto debido a la falta de recursos gubernamentales.

Los escenarios desde 2010 señalan avances en informática y ciencia de materiales que permiten "Fusion Pilot Plants" (FPP) a lo largo de varias vías tecnológicas, como el Tokamak esférico del Reino Unido para la producción de energía, dentro del marco de tiempo 2030-2040. En particular, en junio de 2021, General Fusion anunció que aceptaría la oferta del gobierno del Reino Unido de albergar la primera planta de demostración de fusión de una asociación público-privada sustancial del mundo, en el Centro Culham para Fusion Energy. La planta se construirá de 2022 a 2025 y está destinada a liderar el camino para las plantas piloto comerciales a fines de la década de 2025. La planta estará al 70% de su escala completa y se espera que alcance un plasma estable de 150 millones de grados. En los Estados Unidos, los FPP de asociación público-privada de costos compartidos parecen probables. La tecnología de reactores compactos basada en tales plantas de demostración puede permitir la comercialización a través de un enfoque de flota a partir de la década de 2030 si se pueden ubicar los primeros mercados.

La adopción generalizada de energías renovables no nucleares ha transformado el panorama energético. Se prevé que dichas energías renovables suministren el 74 % de la energía mundial para 2050. La caída constante de los precios de las energías renovables desafía la competitividad económica de la energía de fusión.

Costo estandarizado de la energía (LCOE) para diversas fuentes de energía incluyendo viento, energía solar y nuclear

Algunos economistas sugieren que es poco probable que la energía de fusión iguale los costos de otras energías renovables. Se espera que las plantas de fusión enfrenten grandes costos de capital y puesta en marcha. Además, es probable que la operación y el mantenimiento sean costosos. Si bien los costos del CFETR no se conocen bien, se proyectó un concepto de fusión DEMO de la UE para presentar un costo de energía nivelado (LCOE) de $121/MWh.

Además, los economistas sugieren que el costo de la energía de fusión aumenta en $16,5/MWh por cada $1000 millones de aumento en el precio de la tecnología de fusión. Este alto costo nivelado de energía es en gran parte el resultado de los costos de construcción.

Por el contrario, los costos nivelados de energía renovable estimados son sustancialmente más bajos. Por ejemplo, el costo nivelado de energía de la energía solar en 2019 se estimó en $ 40- $ 46 / MWh, la energía eólica en tierra se estimó en $ 29 - $ 56 / MWh y la energía eólica marina fue de aproximadamente $ 92 / MWh.

Sin embargo, la energía de fusión aún puede tener un papel para llenar los vacíos energéticos que dejan las energías renovables, dependiendo de cómo las prioridades de la administración en materia de energía y justicia ambiental influyan en el mercado. En la década de 2020, surgieron estudios socioeconómicos de fusión que comenzaron a considerar estos factores, y en 2022 EUROFusion lanzó sus líneas de Estudios socioeconómicos e Investigación y desarrollo prospectivos para investigar cómo dichos factores podrían afectar las vías y los cronogramas de comercialización. Por lo tanto, la energía de fusión puede funcionar junto con otras fuentes de energía renovable en lugar de convertirse en la fuente de energía primaria. En algunas aplicaciones, la energía de fusión podría proporcionar la carga base, especialmente si se incluye almacenamiento térmico integrado y cogeneración y se considera el potencial para modernizar plantas de carbón.

Regulación

A medida que las plantas piloto de fusión se acercan, se deben abordar los problemas legales y reglamentarios. En septiembre de 2020, la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos consultó con empresas de fusión privadas para considerar una planta piloto nacional. El mes siguiente, el Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Comisión Reguladora Nuclear (NRC) y la Asociación de la Industria de la Fusión copatrocinaron un foro público para iniciar el proceso. En noviembre de 2020, la Agencia Internacional de Energía Atómica (OIEA) comenzó a trabajar con varias naciones para crear estándares de seguridad, como regulaciones de dosis y manejo de desechos radiactivos. En enero y marzo de 2021, la NRC organizó dos reuniones públicas sobre marcos regulatorios. En la Ley de Asignaciones Consolidadas H.R.133 del 27 de diciembre de 2021, se aprobó un enfoque de participación en los costos público-privado, que autorizó $325 millones durante cinco años para un programa de asociación para construir instalaciones de demostración de fusión, con una contribución del 100 % de la industria privada. Posteriormente, el Regulatory Horizons Council del Reino Unido publicó un informe que pedía un marco regulatorio de fusión para principios de 2022 con el fin de posicionar al Reino Unido como líder mundial en la comercialización de energía de fusión. Este llamado fue respondido por el gobierno del Reino Unido publicando en octubre de 2021 su Libro Verde de Fusión y su Estrategia de Fusión, para regular y comercializar la fusión, respectivamente.

Geopolítica

Dado el potencial de la fusión para transformar la industria energética mundial y mitigar el cambio climático, la ciencia de la fusión se ha visto tradicionalmente como una parte integral de la diplomacia científica para la consolidación de la paz. Sin embargo, los desarrollos tecnológicos y la participación del sector privado han suscitado preocupaciones sobre la propiedad intelectual, la administración regulatoria, el liderazgo global; equidad y potencial armamentismo. Estos desafían el papel de construcción de paz de ITER y dieron lugar a llamamientos para una comisión global. La energía de fusión que contribuya significativamente al cambio climático para 2050 parece poco probable sin avances sustanciales y una mentalidad de carrera espacial emergente, pero una contribución para 2100 parece posible, y la medida depende del tipo y particularmente del costo de las vías tecnológicas.

Los desarrollos desde finales de 2020 en adelante han llevado a hablar de una "nueva carrera espacial" con múltiples participantes, enfrentando a EE. UU. contra China y el STEP FPP del Reino Unido. El 24 de septiembre, la Cámara de Representantes de los Estados Unidos aprobó un programa de investigación y comercialización. La sección de Investigación de Energía de Fusión incorporó un programa de asociación público-privada basado en hitos, de costos compartidos, inspirado en el programa COTS de la NASA, que lanzó la industria espacial comercial. En febrero de 2021, las Academias Nacionales publicaron Bringing Fusion to the U.S. Grid, recomendando una planta de costos compartidos impulsada por el mercado para 2035-2040, y siguió el lanzamiento del Congreso Bipartidista Fusion Caucus.

En diciembre de 2020, un panel de expertos independientes revisó el diseño y el trabajo de I+D de EUROfusion en DEMO, y EUROfusion confirmó que estaba avanzando con su hoja de ruta hacia la energía de fusión, comenzando el diseño conceptual de DEMO en asociación con la European comunidad de fusión, lo que sugiere que una máquina respaldada por la UE había entrado en la carrera.

Ventajas

Fusion power promete proporcionar más energía por un peso dado de combustible que cualquier fuente de energía que consuma combustible actualmente en uso. El combustible (principalmente deuterio) existe en abundancia en el océano: aproximadamente 1 de cada 6500 átomos de hidrógeno en el agua de mar es deuterio. Aunque esto es solo alrededor del 0,015 %, el agua de mar es abundante y de fácil acceso, lo que implica que la fusión podría satisfacer las necesidades energéticas del mundo durante millones de años.

Se espera que las plantas de fusión de primera generación utilicen el ciclo de combustible deuterio-tritio. Esto requerirá el uso de litio para la reproducción del tritio. No se sabe por cuánto tiempo los suministros mundiales de litio serán suficientes para satisfacer esta necesidad, así como las de las industrias metalúrgica y de baterías. Se espera que las plantas de segunda generación pasen a la reacción más formidable deuterio-deuterio. La reacción deuterio-helio-3 también es de interés, pero el isótopo ligero de helio es prácticamente inexistente en la Tierra. Se cree que existe en cantidades útiles en el regolito lunar y es abundante en las atmósferas de los planetas gigantes gaseosos.

La energía de fusión podría usarse para el llamado "espacio profundo" propulsión dentro del sistema solar y para la exploración espacial interestelar donde la energía solar no está disponible, incluso a través de unidades híbridas de fusión de antimateria.

Historia

La historia de la energía de fusión comenzó a principios del siglo XX como una investigación sobre cómo las estrellas se alimentan a sí mismas y se expandió para incorporar una amplia investigación sobre la naturaleza de la materia y la energía, mientras que las aplicaciones potenciales se expandieron para incluir la guerra, la propulsión de cohetes y la energía. producción. Desafortunadamente, se ha pronosticado que la generación de electricidad a partir de la fusión será de 30 años en el futuro durante los últimos 50 años y aún puede estar tan lejos.

La historia es una mezcla intrincada de investigaciones sobre física nuclear y una exploración paralela de desafíos de ingeniería que van desde la identificación de materiales y combustibles apropiados hasta la mejora de las técnicas de calefacción y confinamiento.

El primer dispositivo hecho por el hombre para lograr la fusión fue la detonación de este dispositivo de fusión, codificado Ivy Mike.

Foto temprana de plasma dentro de una máquina de pellizco (Imperial College 1950-1951)

La búsqueda de la energía de fusión se ha desarrollado a lo largo de múltiples trayectorias desde el principio. Las trayectorias, como los diseños emergentes, desaparecieron cuando se enfrentaron a obstáculos que aún no se han superado. Los sobrevivientes incluyen enfoques de confinamiento magnético como tokamak y stellarator, junto con enfoques de dispositivos ICF como láser y confinamiento electrostático.

El primer dispositivo de fusión artificial exitoso fue el arma de fisión potenciada que se probó en 1951 en la prueba Greenhouse Item. La primera arma de fusión verdadera fue la Ivy Mike de 1952, y el primer ejemplo práctico fue la Castle Bravo de 1954.

Primeros proyectos

Estelarador

El stellarator fue el primer candidato, precediendo al tokamak más conocido. Fue iniciado por Lyman Spitzer. Si bien la fusión no ocurrió de inmediato, el esfuerzo condujo a la creación del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton.

El primer experimento para lograr una fusión termonuclear controlada se llevó a cabo con Scylla I en LANL en 1958. Scylla I era una máquina θ-pinch, con un cilindro lleno de deuterio.

Tokamak

El concepto de tokamak se originó en 1950-1951 de I.E. Tamm y A.D. Sakharov en la Unión Soviética. El tokamak esencialmente combinó un dispositivo de pellizco de baja potencia con un estelarador de baja potencia.

AD El grupo de Sajarov construyó los primeros tokamaks, logrando la primera reacción de fusión cuasiestacionaria.^:90

Confinamiento inercial

La fusión láser fue sugerida en 1962 por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), poco después de la invención del láser en 1960. La investigación de la fusión por confinamiento inercial (usando láseres) comenzó en 1965.

Shiva láser, 1977, el mayor sistema de láser ICF construido en los años setenta

El Experimento de Espejo Tandem (TMX) en 1979

Se construyeron varios sistemas láser en LLNL. Estos incluían el Argus, el Cyclops, el Janus, el camino largo, el láser Shiva y el Nova.

Los avances del láser incluían cristales que triplicaban la frecuencia que transformaban los rayos láser infrarrojos en rayos ultravioleta y "chirridos", que cambiaban una sola longitud de onda en un espectro completo que podía amplificarse y luego reconstituirse en una frecuencia. La investigación con láser también consumió dinero, consumiendo más de mil millones de dólares en la década de 1980.

Evolución

Con el tiempo, el "tokamak avanzado" surgió el concepto, que incluía plasma no circular, desviadores y limitadores internos, imanes superconductores, operación en el llamado "modo H" isla de mayor estabilidad, y el tokamak compacto, con los imanes en el interior de la cámara de vacío.

Espejos magnéticos sufrieron pérdidas finales, requiriendo alta potencia, diseños magnéticos complejos, como la bobina de béisbol que figura aquí.

La cámara de objetivos de Novette (esfera meta con dispositivos de diagnóstico protruyendo radialmente), que fue reutilizada del proyecto Shiva y dos cadenas láser de nueva construcción visibles en fondo

La implosión inercial de fusión de confinamiento en el láser Nova durante la década de 1980 fue un motor clave del desarrollo de fusión.

Década de 1980

Los tokamaks Tore Supra, JET, T-15 y JT-60 se construyeron en la década de 1980. En 1984, Martin Peng de ORNL propuso el tokamak esférico con un radio mucho más pequeño. Usó un solo conductor grande en el centro, con imanes como medios anillos fuera de este conductor. La relación de aspecto cayó hasta 1,2.^:B247:225 La defensa de Peng captó el interés de Derek Robinson, quien construyó el Tokamak Small Tight Aspect Ratio, (COMIENZO).

Década de 1990

En 1991, el Experimento Preliminar de Tritio en el Torus Europeo Conjunto logró la primera liberación controlada de energía de fusión del mundo.

En 1996, Tore Supra creó un plasma durante dos minutos con una corriente de casi 1 millón de amperios, totalizando 280 MJ de energía inyectada y extraída.

En 1997, JET produjo un pico de 16,1 MW de potencia de fusión (65 % de calor a plasma) con una potencia de fusión de más de 10 MW sostenida durante más de 0,5 segundos.

Años 2000

El Mega Ampere Spherical Tokamak entró en funcionamiento en el Reino Unido en 1999.

"Encendido rápido" ahorró energía y llevó a ICF a la carrera por la producción de energía.

En 2006, se completó el reactor de prueba EAST de China. Fue el primer tokamak en utilizar imanes superconductores para generar campos toroidales y poloidales.

En marzo de 2009, el ICF NIF impulsado por láser entró en funcionamiento.

En la década de 2000, empresas de fusión con respaldo privado entraron en la carrera, incluidas TAE Technologies, General Fusion y Tokamak Energy.

2010

Los preamplificadores del Servicio Nacional de Ignición. En 2012, el NIF logró un disparo de 500-terawatt.

El Wendelstein7X en construcción

Ejemplo de un diseño estelar: Un sistema de bobina (azul) rodea el plasma (amarillo). Una línea de campo magnético se destaca en verde en la superficie de plasma amarillo.

La investigación pública y privada se aceleró en la década de 2010. General Fusion desarrolló la tecnología de inyección de plasma y Tri Alpha Energy probó su dispositivo C-2U. El láser francés Mégajoule entró en funcionamiento. NIF logró una ganancia neta de energía en 2013, definida en un sentido muy limitado como el punto caliente en el núcleo del objetivo colapsado, en lugar del objetivo completo.

En 2014, Phoenix Nuclear Labs vendió un generador de neutrones de alto rendimiento que podía soportar 5 × 10¹¹ reacciones de fusión de deuterio por segundo durante un período de 24 horas.

En 2015, el MIT anunció un tokamak al que denominó reactor de fusión ARC, que utiliza cintas superconductoras de óxido de cobre y bario de tierras raras (REBCO) para producir bobinas de alto campo magnético que, según afirmó, podrían producir una fuerza de campo magnético comparable en una configuración más pequeña. que otros diseños. En octubre, los investigadores del Instituto Max Planck de Física del Plasma completaron la construcción del estelarizador más grande hasta la fecha, el Wendelstein 7-X. Pronto produjo plasmas de helio e hidrógeno que duraban hasta 30 minutos.

En 2017, la máquina de plasma de quinta generación de Helion Energy entró en funcionamiento. El ST40 de Tokamak Energy del Reino Unido generó el 'primer plasma'. Al año siguiente, Eni anunció una inversión de 50 millones de dólares en Commonwealth Fusion Systems para intentar comercializar la tecnología ARC del MIT.

Años 2020

En enero de 2021, SuperOx anunció la comercialización de un nuevo cable superconductor con una capacidad de corriente de más de 700 A/mm².

TAE Technologies anunció los resultados de su dispositivo Norman, que mantuvo una temperatura de unos 60 MK durante 30 milisegundos, 8 y 10 veces más, respectivamente, que los dispositivos anteriores de la empresa.

En octubre, First Light Fusion, con sede en Oxford, reveló su proyecto de fusión de proyectiles, que dispara un disco de aluminio a un objetivo de fusión, acelerado por un pulso eléctrico de 9 megaamperios, que alcanza velocidades de 20 kilómetros por segundo (12 mi/s). La fusión resultante genera neutrones cuya energía se captura en forma de calor.

El 8 de noviembre, en una charla invitada a la 63.ª Reunión Anual de la División de Física del Plasma de APS, la Instalación Nacional de Ignición afirmó haber activado la ignición por fusión en el laboratorio el 8 de agosto de 2021, por primera vez en los 60 + año de historia del programa ICF. El disparo produjo 1,3 MJ de energía de fusión, una mejora de más de 8 veces en las pruebas realizadas en la primavera de 2021. NIF estima que 230 kJ de energía llegaron a la cápsula de combustible, lo que resultó en una salida de energía de casi 6 veces de la cápsula. Un investigador del Imperial College London declaró que la mayoría del campo estuvo de acuerdo en que se había demostrado la ignición.

En noviembre del 2021, Helion Energy informó que recibió 500 millones de dólares en financiación de la serie E para su dispositivo Polaris de séptima generación, diseñado para demostrar la producción neta de electricidad, con 1700 millones de dólares adicionales de compromisos vinculados a hitos específicos, mientras que Commonwealth Fusion Systems recaudó una $ 1.8 mil millones adicionales en fondos de la Serie B para construir y operar su reactor SPARC, la inversión individual más grande en cualquier compañía de fusión privada.

En abril de 2022, First Light anunció que su prototipo de fusión de proyectiles hipersónicos había producido neutrones compatibles con la fusión. Su técnica dispara proyectiles electromagnéticamente a Mach 19 a una pastilla de combustible enjaulada. El combustible de deuterio se comprime a Mach 204, alcanzando niveles de presión de 100 TPa.

El 13 de diciembre de 2022, el Departamento de Energía de EE. UU. informó que los investigadores de la Instalación Nacional de Ignición habían logrado una ganancia neta de energía a partir de una reacción de fusión. La reacción del combustible de hidrógeno en la instalación produjo alrededor de 3,15 MJ de energía mientras consumía 2,05 MJ de entrada. Sin embargo, aunque las reacciones de fusión pueden haber producido más de 3 megajulios de energía, más de lo que se entregó al objetivo, los 192 láseres de NIF consumieron 322 megajulios de energía de la red en el proceso de conversión.

Registros

Los récords de Fusion continúan avanzando: