En curso para crear una planta de energía de fusión

ARCH es un diseño conceptual para un dispositivo de fusión a bordo capaz de generar combustible de amoníaco para motores de barcos. Crédito: Ethan Peterson

Como un CON El curso de ingeniería se convirtió en una incubadora de innovaciones en el diseño de fusión.

“No hay un genio solitario que resuelva todos los problemas”.

Dennis Whyte, director del Plasma Science and Fusion Center (PSFC), está reflexionando sobre una creencia rectora detrás de su clase de ciencia e ingeniería nuclear 22.63 (Principios de la ingeniería de fusión). Recientemente ha visto a sus estudiantes, trabajando en equipo, hacer sus presentaciones finales sobre cómo usar la tecnología de fusión para crear combustible libre de carbono para embarcaciones. Desde que tomó el curso hace más de una década, Whyte se ha alejado de las conferencias estándar, animando a la clase a trabajar colectivamente para encontrar soluciones a problemas del “mundo real”. En los últimos años, el curso y su enfoque colaborativo de diseño ha sido fundamental para guiar el futuro real de la fusión en el PSFC.

Durante décadas, los investigadores han explorado la fusión, la reacción que impulsa al sol, como una fuente potencial de energía libre de carbono prácticamente infinita en la Tierra. El MIT ha estudiado el proceso con una serie de tokamaks “Alcator”, máquinas compactas que utilizan campos magnéticos elevados para mantener el calor. plasma dentro y lejos de las paredes de un recipiente de vacío en forma de rosquilla lo suficientemente largo como para que se produzca la fusión. Pero comprender cómo el plasma afecta a los materiales de tokamak y hacer que el plasma sea lo suficientemente denso y caliente para sostener las reacciones de fusión ha sido difícil de alcanzar.

Incubando máquinas de fusión y equipos de diseño

La segunda vez que impartió el curso, Whyte estaba listo para que sus estudiantes atacaran los problemas relacionados con la operación del tokamak de energía neta, necesaria para producir energía sustancial y económica. Estos problemas no se pudieron explorar con el tokamak Alcator C-Mod de PSFC, que mantenía la fusión en solo breves pulsos, pero podrían ser estudiados por una clase encargada de diseñar un dispositivo de fusión que pueda operar las 24 horas del día.

Por esta época, Whyte se enteró de la cinta superconductora de alta temperatura (HTS), una nueva clase de material superconductor disponible que apoyaba la creación de campos magnéticos superiores para confinar eficazmente el plasma. Tenía el potencial de superar el rendimiento de la generación anterior de superconductores, como el niobio-estaño, que se estaba utilizando en ITER, el experimento de fusión de plasma ardiente que se estaba construyendo en Francia. ¿Podría la clase diseñar una máquina que respondiera preguntas sobre el funcionamiento en estado estable, mientras se aprovechaba de este revolucionario producto? Además, ¿qué pasaría si los componentes de la máquina pudieran extraerse y reemplazarse o modificarse fácilmente, haciendo que el tokamak fuera flexible para diferentes experimentos?

Lo que la clase concibió fue un tokamak llamado “Vulcano”. Whyte llama a los esfuerzos de sus estudiantes “reveladores”, lo suficientemente originales como para producir cinco artículos revisados ​​por pares para Ingeniería y diseño de fusión. Aunque el diseño de tokamak nunca se construyó directamente, su exploración de bobinas magnéticas desmontables, hechas con la nueva cinta HTS, sugirió un camino para un futuro de fusión.

Dos años más tarde, Whyte inició a sus estudiantes por ese camino. Preguntó: “¿Qué pasaría en un dispositivo en el que intentamos producir 500 megavatios de energía de fusión, idéntico a lo que hace ITER, pero usamos esta nueva tecnología HTS?”

Con equipos de estudiantes trabajando en aspectos separados del proyecto y coordinándose con otros grupos para crear un diseño integrado, Whyte decidió hacer que el ambiente de la clase fuera aún más colaborativo. Invitó a los expertos en fusión de PSFC a contribuir. En este entorno de “enseñanza comunitaria colectiva”, los estudiantes ampliaron la investigación de la clase anterior, creando la base para los imanes HTS y las bobinas desmontables.

Como antes, las innovaciones exploradas dieron como resultado un artículo publicado. El autor principal era el entonces estudiante graduado Brandon Sorbom PhD ’17. Presentó a la comunidad de la fusión a ARC, que se describe en el título del artículo como “una instalación de ciencia nuclear de fusión compacta, de alto campo, y una planta de energía de demostración con imanes desmontables”. Debido a que ARC era un proyecto demasiado grande para considerar construirlo de inmediato, Whyte y algunos de sus postdoctorados y estudiantes finalmente comenzaron a pensar en cómo podrían estudiar los elementos más importantes del diseño de ARC en un dispositivo más pequeño.

Su respuesta fue SPARC, basada en la experiencia obtenida al diseñar Vulcan y ARC. Este experimento compacto de energía de fusión neta de alto campo se ha convertido en una colaboración entre el MIT y Commonwealth Fusion Systems (CFS), una startup con sede en Cambridge, Massachusetts, sembrada con talento desde 22.63. Bob Mumgaard y Dan Brunner, quienes ayudaron a diseñar Vulcan, están en el liderazgo de CFS, al igual que Brandon Sorbom. El profesor asistente de MIT NSE Zach Hartwig, quien participó como estudiante en el proyecto Vulcan, también se ha mantenido involucrado en el proyecto y los desarrollos de SPARC.

La cuestión económica

El curso se había convertido en una incubadora para investigadores interesados ​​en utilizar la última tecnología para volver a imaginar la rapidez con la que sería posible una planta de energía de fusión. Ayudó a redirigir el enfoque del PSFC de Alcator C-Mod, que finalizó su operación en 2016, hacia SPARC y ARC, y la innovación tecnológica. En el proceso, el PSFC, cuyo programa de fusión había sido financiado en gran parte por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, se dio cuenta de que también necesitaría ampliar su patrocinio de investigación a la financiación privada.

Las discusiones con el sector privado pusieron de manifiesto el requisito no solo de viabilidad técnica, sino de hacer de la fusión un producto atractivo desde el punto de vista económico. Esto inspiró a Whyte a agregar una restricción económica al proyecto de la clase 22.63 de 2020, y señaló que “cambia la forma en que piensa sobre atacar el diseño”. En consecuencia, amplió el equipo docente para incluir a Eric Ingersoll, fundador y director general de LucidCatalyst y TerraPraxis. Juntos imaginaron una aplicación y un mercado novedosos que podrían utilizar la fusión como una fuente de energía intensa libre de carbono: el transporte marítimo internacional.

La naturaleza virtual del curso de este año ofreció una oportunidad única para varios estudiantes, postdoctorados y profesores de Universidad de Princeton unirse a la clase como voluntarios, con la intención de eventualmente crear un curso estructurado de manera similar en Princeton. Se integraron con estudiantes e instructores del MIT en cuatro equipos que trabajaban de manera interdependiente para diseñar un método a bordo para generar combustible de amoníaco para motores de barcos. El dispositivo fue apodado “ARCH”, la H que significa Hidrógeno. Al realizar innovaciones en el diseño de fusión, principalmente centradas en mejorar los materiales y la eliminación de calor, el equipo demostró que podían cumplir con los objetivos económicos.

Para Rachel Bielajew, estudiante de posgrado del MIT, parte del Equipo de Integración de Sistemas, centrarse en la economía del proyecto proporcionó una experiencia muy diferente de sus otras clases y de la investigación diaria.

“Definitivamente fue motivador tener un objetivo económico que impulsara las opciones de diseño”, dice ella. “La clase también me reforzó que el camino hacia los reactores de fusión exitosos es multidisciplinario y hay una importante investigación por hacer en muchos campos”.

El viaje docente de Whyte ha sido tan transformador para él como para sus alumnos.

“Si les das a los jóvenes el tiempo, las herramientas y el espacio imaginativo para trabajar juntos hacia metas significativas, es difícil imaginar una fuerza más poderosa”, dice. “La clase y la innovación proporcionada por el esfuerzo colectivo de los estudiantes han cambiado mi visión del mundo y, creo, las perspectivas de la energía de fusión”.


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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