En las primeras horas del 5 de septiembre de 2021, los ingenieros lograron un hito importante en los laboratorios del Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT, cuando un nuevo tipo de imán, hecho de material superconductor de alta temperatura, alcanzó una intensidad récord mundial de campo magnético de 20 tesla para un imán a gran escala. Esa es la intensidad necesaria para construir una planta de energía de fusión que se espera produzca una salida neta de energía y potencialmente inaugure una era de producción de energía prácticamente ilimitada.
La prueba fue declarada inmediatamente un éxito, habiendo cumplido con todos los criterios establecidos para el diseño del nuevo dispositivo de fusión, llamado SPARC, para el cual los imanes son la tecnología clave que lo hace posible. Se abrieron corchos de champán mientras el agotado equipo de experimentadores, que había trabajado arduamente para hacer posible este logro, celebraba su hazaña.
Pero eso estuvo lejos de ser el final del proceso. A lo largo de los meses siguientes, el equipo desarmó e inspeccionó los componentes del imán, revisó y analizó los datos de cientos de instrumentos que registraron detalles de las pruebas, y realizó dos corridas de prueba adicionales en el mismo imán, llegando finalmente a llevarlo hasta su punto de ruptura para aprender los detalles de cualquier posible modo de fallo.
Todo este trabajo ha culminado en un informe detallado de investigadores de PSFC y de la empresa derivada del MIT, Commonwealth Fusion Systems (CFS), publicado en una colección de seis artículos revisados por pares en una edición especial de la edición de marzo de IEEE Transactions on Applied Superconductivity juntos, los documentos describen el diseño y la fabricación del imán y el equipo de diagnóstico necesario para evaluar su rendimiento, así como las lecciones aprendidas del proceso. En general, el equipo encontró que las predicciones y la modelización por ordenador fueron muy precisas, verificando que los elementos de diseño únicos del imán podrían servir como base para una planta de energía de fusión.
Habilitar la energía de fusión práctica
La prueba exitosa del imán, dice Dennis Whyte, profesor de Hitachi America y ex director del PSFC, fue "lo más importante, en mi opinión, en los últimos 30 años de investigación en fusión".
Antes de la demostración del 5 de septiembre, los mejores imanes superconductores disponibles eran lo suficientemente potentes como para potencialmente lograr energía por fusión — pero solo a tamaños y costos que nunca podrían ser prácticos o económicamente viables. Luego, cuando las pruebas mostraron la practicidad de un imán tan fuerte en un tamaño mucho reducido, 'de la noche a la mañana, básicamente se cambió el costo por vatio de un reactor de fusión por un factor de casi 40 en un día', dice Whyte.
‘Ahora la fusión tiene una oportunidad’, añade Whyte. Los tokamaks, el diseño más utilizado para dispositivos experimentales de fusión, ‘tienen una oportunidad, en mi opinión, de ser económicos porque has tenido un cambio cuántico en tu capacidad, con las reglas conocidas de física de confinamiento, sobre poder reducir considerablemente el tamaño y el costo de los objetos que harían posible la fusión’.
Los datos y el análisis completos del ensayo del imán del PSFC, tal como se detalla en los seis nuevos artículos, han demostrado que los planes para una nueva generación de dispositivos de fusión —el diseñado por MIT y CFS, así como diseños similares de otras compañías comerciales de fusión— se basan en una base sólida en ciencia.
El avance en superconductividad
La fusión, el proceso de combinar átomos ligeros para formar otros más pesados, alimenta al sol y a las estrellas, pero aprovechar ese proceso en la Tierra ha resultado ser un desafío abrumador, con décadas de arduo trabajo e innumerables miles de millones de dólares invertidos en dispositivos experimentales. El objetivo anhelado, pero nunca logrado hasta ahora, es construir una planta de energía de fusión que produzca más energía de la que consume. Una planta de energía como esta podría generar electricidad sin emitir gases de efecto invernadero durante su operación y generar muy poca residuos radiactivos. El combustible de la fusión, una forma de hidrógeno que puede derivarse del agua de mar, es prácticamente ilimitado.
Pero hacerlo funcionar requiere comprimir el combustible a temperaturas y presiones extraordinariamente altas, y dado que ningún material conocido puede resistir tales temperaturas, el combustible debe mantenerse en su lugar mediante campos magnéticos extremadamente poderosos. Producir campos tan fuertes requiere imanes superconductores, pero todos los imanes de fusión anteriores se han fabricado con un material superconductor que requiere temperaturas frígidas de aproximadamente 4 grados por encima del cero absoluto (4 kelvins, o -270 grados Celsius). En los últimos años, un material más reciente apodado REBCO, por óxido de bario de cobre de tierras raras, se ha añadido a los imanes de fusión, y permite que estos operen a 20 kelvins, una temperatura que, aunque solo es 16 kelvins más cálida, trae ventajas significativas en términos de propiedades de materiales e ingeniería práctica.
Aprovechar este nuevo material superconductor de temperaturas más altas no era sólo una cuestión de sustituirlo en los diseños de imanes existentes. En cambio, fue una reelaboración desde cero de casi todos los principios que se utilizan para construir imanes superconductores, dice Whyte. El nuevo material REBCO es extraordinariamente diferente de la generación anterior de superconductores. No sólo se va a adaptar y reemplazar, sino que se va a innovar desde cero. Los nuevos papeles en Transacciones sobre Superconductividad Aplicada el informe de la Comisión sobre el desarrollo de la tecnología de la información y la comunicación (doc.
Una innovación clave: sin aislamiento
Una de las innovaciones dramáticas, que hizo que muchos en el campo dudaran de sus posibilidades de éxito, fue la eliminación del aislamiento alrededor de las finas cintas planas de cinta superconductoras que formaban el imán. Al igual que prácticamente todos los cables eléctricos, los imanes superconductores convencionales están completamente protegidos por material aislante para evitar cortocircuitos entre los cables. Pero en el nuevo imán, la cinta quedó completamente desnuda; los ingenieros confiaron en la mayor conductividad del REBCO para mantener la corriente fluyendo a través del material.
“Cuando comenzamos este proyecto, digamos en 2018, la tecnología de usar superconductores de alta temperatura para construir imanes de gran escala con campos magnéticos intensos estaba en su infancia”, dice Zach Hartwig, el Profesor de Desarrollo de Carrera Robert N. Noyce en el Departamento de Ciencia y Tecnología Nuclear. Hartwig tiene una cita conjunta en el PSFC y es el jefe de su grupo de ingeniería, que lideró el proyecto de desarrollo del imán. “El estado del arte eran experimentos pequeños a nivel de banco, no realmente representativos de lo que se necesita para construir algo a tamaño completo. Nuestro proyecto de desarrollo de imanes comenzó a escala de banco y terminó a escala completa en un corto período de tiempo”, añade, señalando que el equipo construyó un imán de 20,000 libras que produjo un campo magnético estable y uniforme de más de 20 tesla, mucho más allá de cualquier campo similar producido a gran escala.
“La forma estándar de construir estos imanes es que enrollarías el conductor y tendrías aislamiento entre los enrolamientos, y necesitas aislamiento para lidiar con los altos voltajes que se generan durante eventos anormales como un apagado.” Eliminar las capas de aislamiento, dice, “tiene la ventaja de ser un sistema de baja tensión. Simplifica enormemente los procesos de fabricación y el calendario.” También deja más espacio para otros elementos, como más enfriamiento o más estructura para mayor resistencia.
La ensamblaje del imán es una versión ligeramente de menor escala de los que formarán la cámara en forma de dona del dispositivo de fusión SPARC que actualmente se está construyendo por CFS en Devens, Massachusetts. Consiste en 16 placas, llamadas panqueques, cada una con un enrolamiento espiral del cintillo superconductor en un lado y canales de enfriamiento para gas de helio en el otro.
Pero el diseño sin aislamiento se consideró arriesgado, y mucho dependía del programa de pruebas. “Este fue el primer imán a escala suficiente que realmente exploró lo que implica diseñar, construir y probar un imán con esta tecnología llamada sin aislamiento ni torsión”, dice Hartwig. “Fue una gran sorpresa para la comunidad cuando anunciaron que era una bobina sin aislamiento”.
Llevando al límite... y más allá
La prueba inicial, descrita en artículos anteriores, demostró que el diseño y el proceso de fabricación no solo funcionaban sino que eran altamente estables, algo que algunos investigadores habían dudado. Las siguientes dos pruebas, realizadas también a finales de 2021, llevaron el dispositivo al límite creando condiciones inestables intencionalmente, incluyendo un apagado total de la energía entrante que puede provocar un sobrecalentamiento catastrófico. Conocido como colapso, este es considerado un escenario de peor caso para la operación de tales imanes, con el potencial de destruir el equipo.
Parte de la misión del programa de pruebas, dice Hartwig, fue “realmente apagar intencionalmente un imán a escala completa, para que podamos obtener los datos críticos a la escala correcta y en las condiciones adecuadas para avanzar en la ciencia, para validar los códigos de diseño, y luego desarmar el imán y ver qué salió mal, por qué salió mal, y cómo hacemos la siguiente iteración para solucionarlo. … Fue una prueba muy exitosa.”
Esa prueba final, que concluyó con el deshielo de una esquina de una de las 16 panqueques, generó una gran cantidad de nueva información, dice Hartwig. Por un lado, habían estado utilizando varios modelos computacionales diferentes para diseñar y predecir el rendimiento de diversos aspectos del imán, y en su mayoría, los modelos coincidieron en sus predicciones generales y fueron bien validados por la serie de pruebas y mediciones en condiciones reales. Pero al predecir el efecto del calentamiento rápido, las predicciones de los modelos divergieron, por lo que fue necesario obtener datos experimentales para evaluar la validez de los modelos.
“Los modelos de mayor fidelidad que teníamos predecían casi exactamente cómo se calentaría el imán, hasta qué grado se calentaría mientras comenzaba a colapsar, y dónde estaría el daño resultante al imán,” dice. Como se describe en detalle en uno de los nuevos informes, “Esa prueba realmente nos dijo exactamente la física que estaba ocurriendo, y nos indicó qué modelos eran útiles para seguir adelante y cuáles dejar de lado porque no son correctos.”
Whyte dice, “Básicamente hicimos lo peor posible a propósito a una bobina, después de haber probado todos los demás aspectos del rendimiento de la bobina. Y encontramos que la mayor parte de la bobina sobrevivió sin daño,” mientras que un área aislada sufrió algún derretimiento. “Es como un par de por ciento del volumen de la bobina que resultó dañado.” Y eso llevó a revisiones en el diseño que se espera que prevengan dicho daño en los imanes del dispositivo de fusión real, incluso bajo las condiciones más extremas.
Hartwig enfatiza que una de las razones principales por las que el equipo pudo lograr un diseño tan radical y récord de un imán, y hacerlo correctamente a la primera y en un cronograma acelerado, fue gracias al alto nivel de conocimiento, experiencia y equipamiento acumulado durante décadas de operación del tokamak Alcator C-Mod, el Laboratorio de Imanes Francis Bitter, y otros trabajos realizados en el PSFC. “Esto llega al corazón de las capacidades institucionales de un lugar como este”, dice. “Teníamos la capacidad, la infraestructura, el espacio y las personas para hacer estas cosas bajo un mismo techo”.
La colaboración con CFS también fue clave, dice, con MIT y CFS combinando los aspectos más poderosos de una institución académica y una empresa privada para hacer cosas juntos que ninguno hubiera podido hacer por sí solo. “Por ejemplo, una de las principales contribuciones de CFS fue aprovechar el poder de una empresa privada para establecer y escalar una cadena de suministro a un nivel y plazo sin precedentes para el material más crítico del proyecto: 300 kilómetros (186 millas) de superconductor de alta temperatura, que se adquirieron con un estricto control de calidad en menos de un año, e integraron según lo programado en el imán.”
La integración de los dos equipos, aquellos de MIT y aquellos de CFS, también fue crucial para el éxito, dice. “Nos considerábamos un solo equipo, y eso nos permitió hacer lo que hicimos.”
