Seis estudios científicos avalan la viabilidad del revolucionario reactor de fusión del MIT

Septiembre de 2021 marcó un hito histórico para la fusión nuclear y el revolucionario imán superconductor creado por el Massachusetts Institute of Technology (MIT). En esa fecha su nuevo sistema fue capaz de conseguir la fusión neta, es decir, hacer que el reactor gaste menos energía que la que necesitan para funcionar, algo vital para su desarrollo a nivel comercial. Ahora, han salido a la luz una serie de artículos científicos que han estudiado al detalle aquellos experimentos y aseguran que este sistema de imanes está listo para generar energía de fusión en los próximos años, en 2030, estiman sus creadores.

Los responsables de su desarrollo son los investigadores del Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT (PSFC) que trabajan en colaboración con Commonwealth Fusion Systems (CFS). Esta empresa norteamericana es una escisión del propio MIT y cuenta entre sus inversores con figuras tan influyentes como Bill Gates y Jeff Bezos. Los nuevos imanes son claves para conseguir la fusión nuclear por confinamiento magnético, que es la técnica que emplean la mayoría de los otros reactores de fusión experimentales, como el colosal tokamak del ITER. Esos sistemas usan enormes imanes para mantener el plasma estable en un lugar mientras se calienta el combustible a temperaturas superiores a las del Sol para lograr la fusión de sus núcleos y generar energía en el proceso.

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Todo este trabajo realizado durante los últimos años ha sido evaluado en seis artículos revisados por pares en el número especial de marzo de IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Los artículos se han centrado en el diseño y la fabricación del imán, el equipo de diagnóstico necesario para evaluar su rendimiento y en enumerar todas las lecciones aprendidas del proceso.

Las conclusiones de estos exhaustivos análisis aseguran que las predicciones y los modelos informáticos acertaron de pleno y han demostrado que los planes para una nueva generación de dispositivos de fusión —tanto el diseñado por el MIT y el CFS como otros diseños similares de tokamak— se asientan sobre una sólida base científica.

El mayor avance en 30 años

Dennis Whyte, profesor del MIT que hasta hace muy poco ha sido el director del PSFC, asegura que el descubrimiento de estos imanes ha sido "lo más importante, en mi opinión, de los últimos 30 años de investigación en fusión".

Anteriormente, asegura, los mejores imanes superconductores disponibles eran lo suficientemente potentes como para lograr generar energía de fusión, pero su tamaño y gasto energético los hacía inviables para la producción comercial. Sin embargo, los nuevos imanes superconductores desarrollados por el MIT y CFS han cambiado esto: "De la noche a la mañana, básicamente cambió el coste por vatio de un reactor de fusión por un factor de casi 40 en un día", dice Whyte.

“Fue una revisión desde cero de casi todos los principios que se utilizan para construir imanes superconductores", afirma Whyte. El nuevo material superconductor de alta temperatura (REBCO) es "extraordinariamente diferente de la generación anterior de superconductores. No se trata sólo de adaptar y sustituir, sino de innovar desde cero". Los nuevos artículos recién publicados describen los detalles de ese proceso de rediseño que ahora está protegido con una patente.

Un imán revolucionario

El imán utiliza superconductores a alta temperatura que permiten un campo magnético mucho más intenso en un espacio más reducido. Además, según comentó Whyte en el momento de su presentación, consigue esto consumiendo solo unos 30 vatios de energía. En comparación, otros imanes conductores de cobre que se utilizan tradicionalmente y que el MIT había probado en sus instalaciones pueden alcanzar los 200 millones de vatios.

Según afirman los investigadores, la idea para el diseño del nuevo imán surgió durante una clase de ingeniería nuclear donde Whyte era profesor. Un nuevo material superconductor, que tenía la forma de una cinta plana, acababa de salir al mercado. Este material es capaz de conseguir en un espacio reducido grandes campos magnéticos que hasta ahora solo podían producirse en estructuras 40 veces más grandes.

Martin Greenwald, antiguo director adjunto e investigador principal del PSFC, comentó que, a diferencia de otros diseños de experimentos de fusión: "el nicho que estábamos cubriendo era el de utilizar la física del plasma convencional y los diseños e ingeniería convencionales de los tokamak, pero aportando esta nueva tecnología de imanes. Por tanto, no necesitábamos innovar en media docena de áreas diferentes. Nos limitábamos a innovar en el imán y a aplicar el conocimiento aprendido en las últimas décadas".

Pasar de la fase de diseño al producto terminado les llevó tres años en los que tuvieron que establecer nuevas cadenas de suministro y la elaboración de métodos de fabricación de imanes a gran escala.

"Empezamos con un modelo físico y un diseño CAD, y trabajamos con mucho desarrollo y prototipos para convertir un diseño en papel en este imán físico real”, aseguraba en ese momento Joy Dunn, jefe de operaciones de CFS. Que también afirma que esto les llevó a poner en marcha nuevas capacidades de fabricación y a crear instalaciones para realizar sus pruebas.

Cada imán está compuesto por 16 placas apiladas. Durante la primera fase de pruebas, el nuevo imán se fue modificando gradualmente hasta alcanzar un campo magnético de 20 teslas, lo que, según los investigadores, supone la mayor intensidad de campo jamás alcanzada por un imán de fusión superconductor de alta temperatura.

"Ahora la fusión tiene una oportunidad", explica Whyte. Los tokamaks, el diseño más utilizado para dispositivos experimentales de fusión, "tienen posibilidades, en mi opinión, de ser económicos porque se ha producido un cambio cuántico en su capacidad, con las reglas físicas de confinamiento conocidas, de poder reducir enormemente el tamaño y el coste de los objetos que harían posible la fusión".