Energía y ciencia de fusión nuclear

Tengo una comprensión bastante completa de los enormes desafíos necesarios para crear energía de fusión nuclear comercial. Por eso soy más optimista acerca de la fisión nuclear con sales fundidas. Intento explicar esto en dos videos. Sin embargo, este es un tema complejo. Trataré de exponer esto de la manera más clara y breve posible aquí.

¿Qué tan lejos en la fusión nuclear comercial?

Creo que todavía se necesitan avances tecnológicos. Las últimas décadas de trabajo hacia la fusión nuclear han estado dominadas por los proyectos Tokomak (ITER, JET y un Tokomak surcoreano y un Tokomak chino). Tokomak contiene plasma de fusión nuclear en un campo magnético en forma de dona. Se necesitan años para que los proyectos se conviertan en intentos de crear fusión durante unos segundos y la fusión está aproximadamente 1000X veces alejada de la energía neta real.

Hay muchas formas de intentar desarrollar la fusión nuclear para generar energía. Un solo valor comienza para decirnos qué tan cerca está un experimento de fusión de la potencia neta: el triple producto de fusión. El producto triple es el producto de tres atributos de un plasma de fusión:

n la densidad de iones en el plasma (iones/metro cúbico)
T la temperatura de esos iones (keV2)
τE el tiempo de confinamiento de energía (segundos)

La reacción de fusión con el umbral de producto triple más bajo (también conocido como el más alcanzable) es la fusión de deuterio y tritio (DT), dos isótopos de hidrógeno. Una planta de energía de fusión que funcione con combustible DT tendrá un producto triple de aproximadamente 5 × 10 ^ 21 m-3 keV so más. Existen muchos otros requisitos para una planta de energía comercialmente viable pero el triple producto es un mínimo hito técnico.

Una buena propiedad del producto triple es que es independiente del esquema particular utilizado para crear el plasma de fusión, por lo que puede usarse para comparar el rendimiento en diferentes tipos de enfoques de fusión. Es una cantidad significativa en esquemas de confinamiento magnético (tokamaks, stellarators), esquemas de confinamiento inercial (fusión láser) y esquemas magneto-inerciales (MagLIF, compresión de FRC).

Steven Krivit en NewEnergy Times ha publicado un pdf de 26 páginas y muchos otros artículos que describen tergiversaciones por parte del proyecto multimillonario ITER de Tokomak.

El experimento del reactor multimillonario JET (Joint European Torus) ha funcionado durante décadas. Creo que rondaba los 100 millones de euros al año o más para su financiación. En marzo de 2019, el gobierno del Reino Unido y la Comisión Europea firmaron una extensión de contrato para JET. Esto garantizó las operaciones de JET hasta finales de 2024 independientemente de la situación del Brexit. En diciembre de 2020, comenzó una actualización de JET utilizando tritio, como parte de su contribución a ITER. El 21 de diciembre de 2021, JET produjo 59 megajulios utilizando combustible de deuterio-tritio mientras sostenía la fusión durante un pulso de cinco segundos, superando su récord anterior de 21.7 megajulios con Q = 0.33, establecido en 1997. Steven Krivit señala que se necesitaron alrededor de 700 megavatios de electricidad para producir los 59 megajulios en cinco segundos. El Q = 0.33 es el 33% de la energía dentro y fuera del plasma. 700 megavatios para alimentar esto durante cinco segundos serían alrededor de 3.5 millones de julios para obtener 59 megajulios del plasma. La potencia de la pared es unas 60 veces menor y luego la potencia que sale del plasma tendría que volver a convertirse en electricidad. Esto va para las cifras más honestas de la fusión LPP. Los experimentos de energía de fusión están a una milésima de un por ciento en la electricidad total que sale versus la electricidad que entra.

El mundo solo tiene 25 toneladas de Tritio. No ocurre naturalmente. Un reactor de fusión DT (deuterio y tritio) que genere un gigavatio necesitaría unas 150 toneladas de tritio al año. El tritio se produce actualmente en reactores de fisión nuclear de agua pesada CANDU (Canadá).

Los planes del reactor de fusión DT deben abordar la reproducción de una gran cantidad de tritio. Esto significa generar una gran cantidad de neutrones baratos para convertir de manera eficiente el litio en tritio. Esto es como decir que tendríamos un plan de fisión nuclear para producir abundantes cantidades de plutonio. El plutonio no se encuentra en la naturaleza, pero se puede producir haciendo reaccionar el uranio 238 con neutrones. El uranio 238 es el 94% de lo que la gente llama desechos nucleares. El uranio 238 es aproximadamente el 99.3 % del uranio natural y el 97 % de las barras de combustible nuclear nuevas actuales.

Un país que puede generar una gran cantidad de neutrones baratos para generar mucho tritio significaría que ese país también podría generar una gran cantidad de plutonio. Cualquier país que pueda generar mucho plutonio puede fabricar muchas bombas de fisión nuclear.

De hecho, estoy relativamente de acuerdo con esto porque creo que las bombas de fisión nuclear quedarán obsoletas. El mundo progresará hacia una tecnología mucho mejor en el espacio y la energía, entonces la destructividad de las bombas de fisión dejará de ser estratégica militar y será menos importante militarmente. Esto no quiere decir que deba fomentarse la proliferación. Se deben tomar medidas para no ser estúpidos, pero un mundo con dominio de la energía nuclear y la propulsión espacial significará un mundo donde las armas nucleares son relativamente triviales. Se convertirán en cócteles molotov.

El desarrollo exitoso de la fusión nuclear para energía tiene que ir más allá de todo este pequeño nivel de energía actual generada en relación con la energía utilizada y hacerlo económicamente. Los proyectos Tokomak tienen que generar implícitamente esta energía positiva neta mientras mantienen el plasma durante años en lugar de segundos. Me gustan los proyectos de fusión nuclear que planean no contener plasma. Esos proyectos usan energía pulsada. Brevemente (pequeñas fracciones de segundo) crean condiciones de fusión e intentan obtener cantidades masivas de energía y obtener la energía sin usar una turbina. Usar una turbina significa mantener la fusión como las plantas de fisión nuclear que ahora funcionan como plantas de carbón. Las turbinas funcionan con una gran cantidad de calor sostenido. Piense en incendios masivos de carbón contenidos.

LPP Fusion es una pequeña empresa que está tratando de llegar a la fusión nuclear avanzada que solo ha tenido unos pocos millones de dólares en financiación. Sin embargo, el porcentaje de potencia de entrada al porcentaje de potencia de salida están muy cerca del gran JET (Joint European Torus). LPP Fusion, Helion Energy, HB11 Fusion, TAE están tratando de buscar formas de fusión pulsada. Ver la imagen superior en este artículo. Los aspectos más destacados del plan LPP Fusion se encuentran a continuación.

También prefiero proyectos que busquen reacciones de fusión avanzadas. 1 billón de grados en lugar de 100 millones de grados.

Aquí está mi imagen de hoja de cálculo de seguimiento del proyecto de fusión nuclear.

Aquí hay algunas diapositivas de LPP Fusion.