La energía de fusión no crea contaminación del aire, viene sin la amenaza de fusión nuclear, tiene cero emisiones de gases de efecto invernadero y no crea desechos radiactivos a largo plazo.

Cuando Jesús Romero, científico principal de TAE Technologies, era un niño, su padre solía llevar a casa un periódico todos los domingos. Dentro había un pequeño periódico para niños que incluía rompecabezas. Los acertijos a menudo eran laberintos, donde el objetivo era ayudar a un animal de dibujos animados a encontrar el camino correcto a través de varios "peligros" para alcanzar el premio al final. Romero reconoció rápidamente que los acertijos eran más fáciles de resolver si comenzabas por el final y avanzabas hacia atrás. Él cuenta esta historia como una preparación para describir un cartel en la entrada de TAE en California. El póster presenta al cofundador de tecnología de la compañía, Norman Rostoker, con un sombrero de vaquero y una cita: "Comenzamos con el final en mente".

El fin que tiene en mente TAE es la energía de fusión nuclear segura. La energía de fusión es un objetivo por el que muchos han estado trabajando durante décadas. Pero el cronograma para lograr la fusión terrestre ha dependido en gran medida de que la tecnología se ponga al día con la ciencia, que ahora se está acelerando exponencialmente. Una vez lograda, la fusión proporcionaría energía barata, ecológica y casi ilimitada, y transformaría la sociedad.

Las centrales nucleares existentes utilizan la fisión, la división de átomos. En la fusión, los átomos se ven obligados a unirse. Es una tarea mucho más difícil,pero libera mucha más energía. Las estrellas, incluido el sol, funcionan con fusión nuclear. La energía de fusión no crea contaminación del aire, viene sin la amenaza de fusión nuclear, tiene cero emisiones de gases de efecto invernadero y no crea desechos radiactivos a largo plazo.

El enfoque predominante fusiona dos tipos de átomos de hidrógeno: deuterio, que tiene un protón y un neutrón en el núcleo, y tritio, que tiene un protón y dos neutrones. Los protones tienen carga positiva y se repelen entre sí. Fusion requiere suficiente presión y calor para que colisionen a alta velocidad. El calor necesario, del orden de cientos de millones de grados Celsius, es suficiente para derretir cualquier cosa que pueda contener plasma, un gas ionizado en el que los electrones y los núcleos vuelan de forma independiente. Se utilizan fuertes campos magnéticos para centrar el plasma dentro de los reactores, lejos de las paredes.

 

 

La mayoría de los reactores de deuterio-tritio son toroides, el término geométrico para una forma de rosquilla. Estos sistemas enfrentan desafíos que incluyen la necesidad de instalaciones de manejo de deuterio-tritio, la disponibilidad extremadamente limitada de tritio y el tamaño y costo de los imanes superconductores.

 

El equipo de TAE se dio cuenta de que había una forma diferente. Comenzaron con el fin en mente: ¿Cómo sería un reactor verdaderamente seguro? Llegaron a la conclusión de que la única respuesta era utilizar la fusión de hidrógeno y boro. Esta reacción solo emite tres núcleos de helio, también llamados partículas alfa (de ahí el nombre original de TAE, Tri Alpha Energy) y rayos X, que pueden capturarse para generar electricidad al calentar paneles de metal para hacer que el CO2 líquido se evapore y propulse una turbina.

 

Curso de colisión

Rostoker, quien fue profesor de física en la Universidad de California, Irvine; su alumno Michl Binderbauer; y todos los involucrados en los primeros días de la empresa comenzaron a abordar el problema a principios de la década de 1990, fundando TAE en 1998. Binderbauer es ahora el director general de la empresa. TAE ha solicitado o recibido más de 1400 patentes y recibió más de $750 millones en capital de riesgo. Han realizado más de 100.000 experimentos y ahora emplean a unas 200 personas de más de 30 países. Actualmente están en su reactor experimental de quinta generación, llamado Norman, en honor al difunto Rostoker.

La plataforma de fusión de TAE es una configuración de campo invertido (FRC), un tubo recto de 20 metros de largo rodeado de imanes circulares. El gas se dispara a alta velocidad desde cada extremo. TAE planea eventualmente usar una mezcla de hidrógeno y boro, pero hasta que alcancen temperaturas suficientes, están usando hidrógeno y deuterio.

 

 

Las corrientes chocan, se fusionan y comienzan a girar. Un conjunto de ocho rayos aceleradores fuera de la cámara central dispara partículas neutras (deuterio) al plasma, que lo calienta y lo mantiene girando. Cuando el plasma gira, crea su propio campo magnético, lo que ayuda a mantenerlo contenido.

Cuando dos partículas vuelan una junto a la otra, la posibilidad de chocar de frente y fusionarse es muy escasa. Es por eso que el reactor mantiene el plasma contenido y circulando. “Le da a las partículas una mayor probabilidad de colisión”, dice Romero. El problema es que el plasma es inestable y quiere difundirse.

trabajo de campo

Mantener la reacción en marcha requiere mediciones y ajustes constantes. La cámara está rodeada por más de 300 sensores magnéticos que se utilizan para inferir la forma y la ubicación del plasma en el interior. Las computadoras con matrices de compuertas programables en campo (FPGA) personalizadas recopilan continuamente los datos y los usan para controlar los imanes que luego dan forma al plasma. Todo el ciclo de detección-reacción debe ocurrir en menos de 10 microsegundos, o 10 millonésimas de segundo.

 

Norman utiliza siete módulos basados ​​en FPGA para detección y control. Cuatro módulos de adquisición reciben entradas de los sensores y condensan la información en 20 números que describen el estado actual del plasma, que envían a un módulo de comunicaciones. Esto luego envía la información a dos módulos de control, que deciden cómo ajustarse al estado del plasma y transmitir sus señales a los imanes. Todos los FPGA fueron programados con MATLAB y Simulink.

Es imposible medir cada partícula de plasma, por lo que el sistema encuentra la ubicación del plasma en un "espacio de estado" y lo describe utilizando un pequeño conjunto de variables. Es esencialmente un modelo abstracto del plasma. Parte del trabajo del sistema de adquisición es utilizar la entrada de cientos de sensores magnéticos para encontrar la ubicación del plasma en un espacio de estado de 20 dimensiones. Para demostrar que podía hacerlo en el tiempo asignado, se le pidió a MathWorks que diseñara un algoritmo de adquisición para los FPGA que multiplicara 1000 números por 1000 números en menos de 10 microsegundos.

“He estado diseñando FPGA durante más de tres décadas y lograr que funcionaran tan rápido fue un desafío”, dice Jonathan Young, consultor técnico de MathWorks.

 

 

Debido a que los FPGA tienen circuitos paralelos, los programadores deben coordinar la sincronización de los cálculos para que cada paso reciba todas sus entradas a tiempo. Young usó Simulink para mover visualmente bloques de lógica, conectarlos con cables virtuales y observar su sincronización. Es como diseñar la cuadrícula de una ciudad para reducir el tráfico. MATLAB luego traduce el algoritmo en código utilizado para configurar el FPGA.

Al final, las matemáticas se redujeron a 3 microsegundos. “La parte sorprendente fue poder hacer tantos cálculos tan rápido”, dice Young. “TAE necesitaba completar los cálculos en menos de 10 microsegundos, y pudimos superar ese objetivo”.

Los módulos de adquisición y control fueron diseñados por Speedgoat usando Xilinx ® FPGAs. “Nunca habíamos tenido una configuración tan grande”, dice Patrick Herzig, jefe de tecnologías FPGA en Speedgoat. Mientras que Norman usa siete módulos, un proyecto típico usa uno. Y TAE busca incluir señales de diagnóstico de algo más que sensores magnéticos.

Romero dice: “Estamos extendiendo los tentáculos para controlar más y más cosas, como la densidad del plasma. Básicamente estamos escribiendo el libro sobre el control de FRC sobre la marcha”.

El final es verde

TAE está progresando constantemente. A pesar del desafío de la física de los plasmas de temperatura ultra alta, una ventaja de los FRC es que son mecánicamente más simples de construir y mantener que los reactores toroidales clásicos. Romero recuerda invitar a los visitantes a las instalaciones antes de que se construyera uno de sus dispositivos de fusión y mostrarles una habitación vacía. “Aquí vamos a construir esto y en un par de años vamos a tener todo listo”, recuerda haberles dicho. “Y su reacción fue, 'De ninguna manera'. Y los trajimos de regreso un año después, teníamos el sistema en funcionamiento, y fue alucinante para ellos”.

TAE ahora ha demostrado que pueden controlar activamente el plasma. También demostraron que los experimentos escalan bien: a medida que agregan más potencia, la temperatura no se estanca. Las preguntas más difíciles sobre lo que es posible han sido respondidas. En lugar de escalar, solo para descubrir que las ideas subyacentes no funcionan, "Creemos en lo que llamamos 'fallar primero'", dice Romero. “No tiene sentido retrasar el show hasta el final”.

 

El próximo dispositivo de fusión de TAE, Copernicus, está actualmente en desarrollo. Es una plataforma a escala de reactor diseñada para operar a unos 100 millones de grados centígrados, aproximadamente las mismas temperaturas requeridas para la fusión de deuterio-tritio (sin embargo, Copernicus no será alimentado por tritio). Luego, TAE planea construir un prototipo final llamado Da Vinci para demostrar la ganancia neta de energía del ciclo de combustible de hidrógeno-boro, lo que significa que la reacción puede producir más energía de la que se le pone.

La energía necesaria para ejecutar un experimento breve es más de la que se asigna al espacio de una oficina comercial, por lo que TAE ha tenido que convertirse en un experto en la administración de energía, el almacenamiento y el despliegue de energía de manera estratégica. Ahora están en conversaciones para comercializar estas innovaciones. El fin que tienen en mente va más allá de un reactor de energía de fusión.

“No estamos solo en el negocio de generar electricidad”, dice Romero. “Estamos en el negocio de proporcionar una solución integral para la transición a una economía libre de carbono. Realmente no importa si usted proporciona toda la electricidad. Si todavía tienes autos que funcionan con gasolina, entonces no estás resolviendo el problema”.

 

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 TAE: Controlling Nuclear Fusion Power - MATLAB & Simulink (mathworks.com)

 

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