Echave-Sustaeta 2021d

Un pas important cap a la fusió nuclear viable comercialment. B#38|26/03/2021*

La producció massiva d'energia lliure d'emissions i de residus radioactius de vida llarga, a partir de matèries primeres inexhauribles: això és el que permetria la fusió nuclear. Per assolir-la, però, és necessari el manteniment indefinit d'un plasma a temperatures de milions de graus. En el que es considera tota una fita, a Corea del sud s'ha aconseguit de mantenir reaccions de fusió nuclear durant uns segons.

Vint segons, de moment

La fusió nuclear és la reacció que té lloc al nucli de les estrelles, amb conversió de l'hidrogen en elements més pesants i el consegüent alliberament massiu d'energia. Amb els reactors de fusió hom intenta de reproduir aquest procés natural.

Ara bé, la recreació artificial del procés exigeix el manteniment d'un plasma a molt altes temperatures, que roman estable gràcies als camps magnètics generats per potents electroimants. L'aparell que permet dur a terme el procediment és la tokamak (acrònim del rus тороидальная камера с магнитными катушками, cambra toroïdal amb bobines magnètiques), que també s'encarrega de recollir l'energia tèrmica alliberada en la reacció de fusió per a la seva posterior utilització en la producció d'electricitat.

A Corea del Sud hi ha un d'aquests aparells, el del Projecte KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research). Els físics que hi treballen van aconseguir el novembre de 2020 mantenir-hi reaccions de fusió nuclear durant vint segons, amb plasma a més de cent milions de kelvin. Semblen molt poc temps, però malgrat tot aquests vint segons superen àmpliament altres fites assolides anteriorment a les mateixes instal·lacions i en el mateix rang de temperatures, com ara els catorze segons aconseguits en la primera campanya de 2020, els vuit segons de la de 2019, o el segon i mig de la de 2018.

Les dades de les campanyes de plasma de 2018 i 2019, i de les dues campanyes de 2020: cada cop una mica més de temps de plasma estable a temperatures superiors als cent milions de kèlvins

Des que la comunitat científica hi treballa, els vint segons esmentats és el més a prop que s'ha estat mai de dominar els processos de fusió. A tall de comparació, per exemple, el projecte experimental de fusió nuclear més gran del món (ITER, a la Provença, de què us parlàrem al Butlletí núm. 30) sembla que no aconseguirà crear el plasma estable necessari abans de 2025.

La tokamak del Projecte KSTAR, a Corea del Sud (© National Fusion Research Institute)

L'actuació duta a terme a Corea del Sud en el marc del Projecte KSTAR va comptar amb la col·laboració de la Universitat Nacional de Seül (SNU) i de la Universitat de Columbia (Estats Units).

Pel que fa a la temperatura assolida, era una de les condicions prèvies que KSTAR s'havia fixat per tal de considerar reeixida la seva segona campanya de producció de plasma de 2020. És de fet àmpliament superior a les temperatures que es verifiquen a l'interior de les estrelles (la del nucli del Sol, per exemple, és de quinze milions de kèlvins).

Segons els responsables de KSTAR, un dels factors que ha contribuït a mantenir el plasma i les reaccions de fusió durant els vint segons esmentats és el fet que la seva tokamak disposa d'imants superconductors, amb nul·la resistència, a diferència dels imants convencionals com els de coure que no poden funcionar durant períodes de temps llargs, més enllà d'uns deu segons, a causa del sobreescalfament que els provoca el corrent elèctric.

També hi ha contribuït el procés millorat de confinament de ions i electrons (internal transport barrier, ITB), ja assajat l'any 2019 a les instal·lacions sud-coreanes.

Els responsables del Projecte KSTAR creuen que la fita assolida el novembre de 2020 constitueix un punt crític en el procés d'assaig i obtenció de la tecnologia necessària que en el futur hauria de permetre d'operar amb plasma amb unes prestacions que facin la fusió nuclear viable comercialment. Com a objectiu pròxim, l'equip es proposa mantenir estable el plasma i fer-lo fusionar durant tres-cents segons, cinc minuts. Preveuen d'aconseguir-ho abans de l'any 2025.

Redactat per: Alfonso Martínez Jaume

Per saber-ne més: phys.org, KSTAR Project, Korea Institute of Fusion Energy

Un paso importante hacia la fusión nuclear viable comercialmente. B#38|26/03/2021*

La producción masiva de energía libre de emisiones y de residuos radioactivos de vida larga, a partir de materias primas inagotables: esto es lo que permitiría la fusión nuclear. No obstante, para alcanzarla es necesario el mantenimiento indefinido de un plasma a temperaturas de millones de grados. En lo que se considera todo un hito, en Corea del Sur se ha conseguido mantener reacciones de fusión nuclear durante unos segundos.

Veinte segundos, de momento

La fusión nuclear es la reacción que tiene lugar en el núcleo de las estrellas, con conversión del hidrógeno en elementos más pesados y la consiguiente liberación masiva de energía. Con los reactores de fusión se intenta reproducir este proceso natural.

Ahora bien, la recreación artificial del proceso exige el mantenimiento de un plasma a muy altas temperaturas, que permanece estable gracias a los campos magnéticos generados por potentes electroimanes. El aparato que permite llevar a cabo el procedimiento es la tokamak (acrónimo del ruso тороидальная камера с магнитными катушками, cámara toroidal con bobinas magnéticas), que también se encarga de recoger la energía térmica liberada en la reacción de fusión para su posterior utilización en la producción de electricidad.

En Corea del Sud está uno de estos aparatos, el del Proyecto KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research). Los físicos que trabajan en él consiguieron en noviembre de 2020 mantener en el mismo reacciones de fusión nuclear durante veinte segundos, con plasma a más de cien millones de kelvin. Parecen muy poco tiempo, pero pese a todo esos veinte segundos superan ampliamente otras marcas alcanzadas anteriormente en las mismas instalaciones y en el mismo rango de temperaturas, como por ejemplo los catorce segundos conseguidos en la primera campaña de 2020, los ocho segundos de la de 2019, o el segundo y medio de la de 2018.

Los datos de las campañas de plasma de 2018 y 2019, y de las dos campañas de 2020: cada vez algo más de tiempo de plasma estable a temperaturas superiores a los cien millones de kelvin

Desde que la comunidad científica trabaja en la cuestión, los veinte segundos mencionados son lo más cerca que se ha estado nunca de dominar los procesos de fusión. A modo de comparación, por ejemplo, el mayor proyecto experimental de fusión nuclear del mundo (el ITER, en Provenza, del que os hablamos en el Boletín n⁰ 30) parece que no conseguirá crear el plasma estable necesario antes de 2025.

La tokamak del Proyecto KSTAR, en Corea del Sur (© National Fusion Research Institute)

La actuación llevada a cabo en Corea del Sur en el marco del Proyecto KSTAR contó con la colaboración de la Universidad Nacional de Seúl (SNU) y de la Universidad de Columbia (Estados Unidos).

Respecto a la temperatura alcanzada, era una de les condiciones previas que KSTAR se había fijado para considerar exitosa su segunda campaña de producción de plasma de 2020. Es de hecho ampliamente superior a las temperaturas que se verifican en el interior de las estrelles (la del núcleo del Sol, por ejemplo, es de quince millones de kelvin).

Según los responsables de KSTAR, uno de los factores que han contribuido a mantener el plasma y las reacciones de fusión durante los veinte segundos mencionados es el que su tokamak dispone de imanes superconductores, con nula resistencia, a diferencia de los imanes convencionales como los de cobre que no pueden funcionar durante largos periodos de tiempo, más allá de unos diez segundos, a causa del sobrecalentamiento que les provoca la corriente eléctrica.

También ha contribuido al éxito el proceso mejorado de confinamiento de iones y electrones (internal transport barrier, ITB), ya ensayado en el año 2019 en las instalaciones surcoreanas.

Los responsables del Proyecto KSTAR creen que la meta alcanzada en noviembre de 2020 constituye un punto crítico en el proceso de ensayo y obtención de la tecnología necesaria que en el futuro debería permitir operar con plasma con unas prestaciones que hagan la fusión nuclear viable comercialmente. Como próximo objetivo, el equipo se propone mantener estable el plasma y hacerlo fusionar durante trescientos segundos, cinco minutos. Prevén lograrlo antes del año 2025.

Redactado por: Alfonso Martínez Jaume

Para saber más: phys.org, KSTAR Project, Korea Institute of Fusion Energy