La fusión nuclear y la máquina Z

Pulsos de encendido rápido llevan al método Sandia Z más cerca del objetivo de un reactor de fusión de alto rendimiento.

Un revolucionario circuito se enciende miles de veces sin fallos

Desde Siberia, no desde el Área 51: El investigador de Sandia Bill Fowler comprueba los circuitos de un dispositivo LTD capaz de producir grandes impulsos eléctricos de forma rápida y de forma repetida. (Imagen por Randy Montoya)

Un circuito eléctrico que portaría la suficiente energía como para producir el largamente ansiado objetivo de una fusión nuclear controlada e, igualmente importante, hacerlo cada 10 segundos, ha sido sometido a experimentos preliminares y simulaciones por ordenador en las instalaciones de la máquina Z del Laboratorio Nacional Sandia.

Z, cuando se conecta, es en la actualidad el mayor productor de rayos-X de la Tierra y ha sido usado para producir neutrones de fusión. Pero se necesitan explosiones rápidas para futuras plantas que generen energía eléctrica a partir del agua del mar. Esto no se había pensado que fuese posible hasta ahora.

Sandia es un laboratorio de la Administración de Seguridad Nuclear Nacional.

¿Cómo funciona?

El motor de un automóvil que enciende un cilindro y tiene que esperar horas antes de encenderlo de nuevo no llevaría al coche muy lejos.

De forma similar, una máquina que proporcione a la humanidad energía ilimitada de la barata y abundante agua del mar no se puede encender una vez y apagarla el resto del día. Debe llevar la energía a los fusibles de hidrógeno cada 10 segundos y seguir con este paseo durante los millones de encendidos entre cada mantenimiento — un tipo de motor de combustión interna para fusión nuclear. Esto es así, al menos, para el método de fusión en la máquina Z de los Laboratorios Nacionales de Sandia y de cualquier otro conocido como confinamiento inercial.

Los científicos de Sandia Dillon McDaniel (segundo por la izquierda) y Steve Glover (derecha) con Alexandar Kim (HCEI, Tomsk, Rusia) examinan un LTD de 500 kiloamperios para una comprobación final antes de enviarlo de Siberia a Sandia (la persona más a la izquierda es un intérprete contratado por Sandia; Roman Kahn). Se ha estado probando el LTD en Sandia durante los últimos 2 años y medio.

Pero, incapaz de producir la fisión salvo en cortos episodios, el método se ha visto ensombrecido por la técnica llamada confinamiento magnético — un método que usa un campo magnético para encerrar reacción de fusión continua a partir de la cual obtener energía.

El circuito eléctrico que surge a partir de una mejora tecnológica puede cambiar el equilibrio entre estos sistemas. Etiquetado como “revolucionario” por los investigadores normalmente conservadores, puede cerrar el hueco entre ambos métodos.

El circuito puede encenderse con facilidad cada 10,2 segundos en explosiones breves y potentes.
“Este es el avance más significativo en la generación de energía primaria en muchas décadas”, dijo Keith Matzen, director del Centro de Energía en Pulsos de Sandia.

El nuevo sistema es conocido como conductor transformador lineal (LTD) y fue creado por investigadores del Instituto de Electrónica de Alta Corriente de Tomsk, Rusia, en colaboración con sus colegas de Sandia.

Dice Rick Stulen, Vicepresidente de Sandia para Ciencia, Tecnología y Fundaciones de Investigación, “Esta nueva tecnología no sólo representa un notable avance técnico sino también demuestra el fuerte compromiso de los científicos e ingenieros de Sandia con la comunidad internacional”.

El camino del “gran salvavidas de color cereza” hacia la fusión nuclear
El circuito – un interruptor fuertemente acoplado a dos condensadores – tiene aproximadamente el tamaño de una cada de zapatos y es llamado “ladrillo”. Cuando los ladrillos se agrupan en conjuntos de 20 y se conectan eléctricamente en paralelo en un contenedor circular recuerdan a un gran salvavidas de color cereza, el grupo, o “cavidad” como dirían los científicos, puede transmitir una corriente de 0,5 megamperios a 100 kilovoltios.

Una cavidad de prueba en el Área 4 Técnica de Sandia se ha encendido sin fallo más e 11 000 veces.

Boris Kovalchuck (HCEI, con chaqueta gris) muestra el diseño de un nuevo sistema LTD al científico de Sandia Dillion McDaniel mientras Alexander Kim observa. (A la derecha persona desconocida).

Debido a que las cavidades son modulares, pueden ser apiladas como donuts en un palo metálico llamado tallo. Organizados en la configuración adecuada, podrían generar 60 megamperios y seis megavoltios de energía eléctrica, suficiente (teóricamente) para generar fusión nuclear de alto rendimiento dentro de los parámetros necesarios para poner en marcha una planta de energía eléctrica.

“Este es un avance revolucionario”, dice Craig Olson, científico senior de Sandia y director del programa de energía de fusión inercial de energía de pulsos.

La siguiente generación de modelos de cavidad, que está ahora en pruebas en Tomsk, transmite 1,0 megamperios al mismo voltaje y con la misma velocidad. Se han construido cinco unidades de este tipo,: cuatro han sido compradas por Sandia y otra por la Universidad de Michigan. Cada unidad cuesta 160 000 dólares. Estos también funcionando sin fallos, de acuerdo con el científico de Sandia y jefe del proyecto Mike Mazarakis, quien supervisó las pruebas en el lugar de Siberia.

“Este es un logro sorprendente”, dice el Vicepresidente de Sandia Gerry Yonas, antiguo jefe de Z y del Grupo de Conceptos Avanzados de Sandia.

Ventajas de la nueva tecnología

Afortunadamente para los contables de Sandia pero tristemente para aquellos que aman las ampliamente distribuidas imágenes de arcos y bujías de > encendiéndose tomadas por el fotógrafo de Sandia Randy Montoya, el nuevo interruptor elimina la necesidad de cientos de miles de litros de agua aislada y aceite que usa actualmente la estructura Z. Sobre la superficie del agua el arco eléctrico de Z se convertía en un fenómeno tan apreciado por un artista gráfico como detestado por los ingenieros (quienes lo veían como un desperdicio de energía). Lo que desaparezca será mucho más que el intrincado sistema de interruptores de Z. Todo esto era necesario para acortar a nanosegundos en pulso original de microsegundos de la máquina.

El conductor transformador lineal produce su pulso de 100 nanosegundos desde el inicio. Funciona tan bien debido a que está diseñado con bajas inductancias que habitualmente ralentizan la transmisión eléctrica.

Dillon McDaniel examina aisladores que van entre las capas de condensadores para LTDs de 250, 500 y 1000 kilo-amperios.

Esto es en parte debido a la eliminación de las enormes placas y el extenso cableado de la actual máquina Z, todo ello genera campos magnéticos. En el nuevo sistema, cada ladrillo casi no tiene cables. Dos condensadores del tamaño de pequeños termos están ajustados a un interruptor del tamaño de una tartera. Existen pocas posibilidades de generar campos magnéticos que ralenticen el paso de la corriente.

Además, uniendo los ladrillos en paralelo en una cavidad no solo añadimos corriente, sino que decrece la inductancia a niveles significativamente menos de los que eran posibles previamente.

Los subconjuntos están unidos en serie para añadir mayor voltaje.

Esto permite una máquina extremadamente rápida en su ignición, con sólo una fina capa de aceite bañando los anillos y filas de interruptores.

La tecnología LTD es un 50 por ciento más eficiente que el actual sistema de ignición de Z, en términos de la razón de energía útil generada respecto a energía consumida. Z tiene actualmente un 15 por ciento de eficiencia respecto a su carga (lo que ya es una alta eficiencia entre las posibles máquinas de fusión).

Hay, sin embargo, un pequeño asunto de coste.

La financiación histórica de Z ha sido para propósitos de defensa: Sus experimentos eran usados para generar datos para las simulaciones en supercomputadoras que ayudan a mantener la fuerza, efectividad y seguridad de la fuerza nuclear de Estados Unidos. Incluso sin su capacidad de repetición rápida, una máquina potente LTD simularía mejor las condiciones creadas por las armas nucleares, por lo que estos datos obtenidos de las explosiones creadas en el laboratorio con las igniciones de Z podrían usarse con gran certidumbre en las simulaciones por ordenador sobre armas nucleares. Los Estados Unidos se han abstenido de realizar pruebas reales de armas nucleares durante los últimos 15 años.

Pero el repetido encendido de la máquina podría muy bien ser la máquina de fusión que podría servir de base para una planta de energía en sólo dos décadas. El progreso en este área podría finalmente requerir patrocinio del Departamento de Energía.

Para confirmar la nueva idea de Z se necesitarían 35 millones de dólares durante un tiempo de 5 a 7 años para construir un banco de pruebas con 100 cavidades. Si tiene éxito, las futuras generaciones de instalaciones de máquinas similares a Z serían construidas con LTDs.

El financiamiento hasta ahora ha venido de dos iniciativas del Congreso de los Estados Unidos a través de Programas de Defensa de la Administración para la Seguridad Nuclear Nacional – Departamento de Energía, fondos internos de Sandia del Laboratorio Dirigido de Investigación y Desarrollo, y el programa de Confinamiento Inercial de Sandia.

“Es como un mecano”, dice Matzen. “Creemos que necesitamos 60 megamperios para conseguir fusión de alto rendimiento. Pero aunque nuestras simulaciones demuestran que puede hacerse, no lo sabremos con certeza hasta que lo hagamos en la realidad”.

El dispositivo fue diseñado por el jefe de energía de pulsos de Tomsk Alexander Kim con el interruptor diseñado por Boris Kovalchuk; su aceleración de un microsegundo a 100 nanosegundos fue requerida por el directos de Sandia Dillon McDaniel, fomentada por los gestores de Sandia Rick Spielman y Ken Struve; el trabajo fue liderado en Sandia y Tomsk por el investigador Mike Mazarakis; las pruebas en Sandia fueron de Bill Fowler y Robin Sharpe; el programa de energía de fusión Z-IFE en Sandia fue iniciado y es dirigido por Craig Olson.

Los recientes resultados del desarrollo de LTD serán presentados en la Conferencia Internacional de Energía de Pulsos en la IEEE y el Simposio de Ingeniería de Fusión de la IEEE que tendrán lugar en Albuquerque en junio de 2007.

Sandia ha presentado una solicitud de patente para un acelerador de energía de pulsos de alta potencia inventado por William Stygar que puede usar un LTD como el generador principal de energía en lugar del generador Marx convencional.


Sandia es un laboratorio multidisciplinar operado por la Corporación Sandia y la compañía Lockheed Martín, para el Departamento de Energía y Administración de Seguridad Nuclear Nacional de los Estados Unidos. Sandia tiene como principales responsabilidades la Investigación y Desarrollo en seguridad nacional, energía, tecnologías ambientales, y competitividad económica.

Autor:
Neal Singer
Fecha Original: 24 de abril de 2007
Enlace Original

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  1. [...] o dos generaciones de máquinas posteriores a Z, llamadas X-1 sean capaz de en 30 años generar el confinamiento magnético necesario para que tenga lugar la fusión nuclear, algo que tras muchas décadas de investigación y gastos millonarios, los Estados Unidos están [...]

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