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Aprovechando el poder de las estrellas
La fusión ocurre cuando dos átomos se combinan para formar un solo átomo, liberando energía. Es el proceso que utilizan nuestro sol y otras estrellas para producir energía.
¿Qué es la fusión?
La fusión es el proceso que utilizan el sol y las estrellas para producir energía.
La fusión ocurre cuando dos átomos se combinan para formar un solo átomo bajo intenso calor y presión. El átomo combinado tiene menos masa que los dos átomos originales. De acuerdo con E = mc², se libera energía en el proceso.
La fusión es lo opuesto a la fisión, donde un átomo pesado, como el uranio, se divide y libera energía.
El poder de fusión es alimentado por un isótopo estable de hidrógeno, el elemento más abundante del universo. No produce gases de efecto invernadero ni residuos de larga duración.
¿Por qué es importante la fusión?
La energía de fusión se puede utilizar para generar electricidad y será una herramienta fundamental en la lucha contra el cambio climático. La producción de electricidad es responsable de más del 34% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero (GEI), un número que seguirá aumentando a medida que hagamos la transición a los vehículos eléctricos.
La electricidad limpia e ilimitada es fundamental para el futuro que todos queremos ver en el mundo. Creemos que la fusión realmente puede resolver el cambio climático a escala global, manteniendo bajos nuestros costos de electricidad mientras nos aseguramos de que el agua potable, Internet, el aire acondicionado y la computación cuántica estén disponibles para todos, ahora y en el futuro.
¿Por qué nadie ha hecho fusión antes?
Los científicos han podido fusionar átomos individuales en un laboratorio durante muchas décadas. Un puñado de organizaciones han realizado fusión masiva, donde un gran volumen de partículas alcanza temperaturas lo suficientemente altas como para que se produzca la fusión a gran escala.
Sin embargo, debido a que las temperaturas y presiones necesarias para lograr la fusión son difíciles de replicar en la Tierra, ninguna de las organizaciones que han logrado realizar una fusión masiva lo ha hecho de una manera práctica que pueda utilizarse para producir electricidad.
Helion está cambiando eso y hará realidad la electricidad a partir de la fusión.
¿Qué tiene de diferente el enfoque de Helion sobre la fusión?
Los fundadores de Helion creen que la fusión no es un problema físico fundamental, sino un problema de ingeniería que se resolverá construyendo, probando e iterando sistemas y subsistemas de fusión. Al enfocarnos en nuestro verdadero objetivo: electricidad limpia, segura e ilimitada, podemos abordar la fusión desde un nuevo ángulo.Nuestro enfoque hace tres cosas importantes de manera diferente a otros enfoques de fusión:
1) Utilizamos un sistema de fusión pulsado sin encendido. Esto nos ayuda a superar los desafíos físicos más difíciles, mantiene nuestro dispositivo de fusión más pequeño que otros enfoques y nos permite ajustar la potencia de salida según las necesidades.
2) Nuestro sistema está diseñado para recuperar electricidad directamente. Al igual que el frenado regenerativo en un automóvil eléctrico, nuestro sistema está diseñado para recuperar toda la energía electromagnética nueva y no utilizada de manera eficiente. Otros sistemas de fusión calientan el agua para crear vapor para hacer girar una turbina que pierde mucha energía en el proceso.
3) Usamos deuterio y helio-3 (D-³He) como combustible. El helio-3 es un combustible más limpio y de mayor octanaje. Esto ayuda a mantener nuestro sistema pequeño y eficiente.
¿De dónde va a obtener Helion helio-3?
El helio-3 es un isótopo de helio ultrarraro que es difícil de encontrar en la Tierra y se utiliza en la computación cuántica y en la obtención de imágenes médicas críticas.
Helion produce helio-3 fusionando deuterio en su acelerador de plasma utilizando un ciclo de combustible cerrado patentado de alta eficiencia.
Históricamente, el helio-3 ha sido muy difícil de producir. Los científicos incluso han discutido ir a la Luna para extraer helio-3, donde se puede encontrar en una abundancia mucho mayor. El nuevo proceso de Helion significa que podemos producir helio-3 (¡no se requieren viajes espaciales!)
¿Por qué nadie ha probado el enfoque de fusión de Helion antes?
Los científicos teorizaron sobre un enfoque como el de Helion a fines de la década de 1950. Sin embargo, esos brillantes científicos estaban trabajando en un mundo sin transistores ni computadoras modernas y no pudieron probar sus conceptos.
Los avances tecnológicos en computadoras, vehículos eléctricos y redes de fibra óptica han permitido reinventar y hacer realidad conceptos pioneros. La fusión pulsada se puede ejecutar a máxima potencia durante unos pocos pulsos, o se puede ajustar la salida de potencia según sea necesario ajustando la tasa de repetición. Esto nos permite construir generadores de fusión que son más simples, más rápidos de iterar y tienen un costo menor.
¿Cuáles son los logros técnicos de Helion?
En 2020, completamos nuestro sexto prototipo, Trenta. Trenta corre casi todos los días haciendo fusión. Ha completado casi 10.000 pulsos de alta potencia y ha funcionado al vacío durante 16 meses. Con Trenta, Helion se convirtió en la primera organización privada en alcanzar temperaturas de plasma de 100 millones de grados Celsius (9 keV). Trenta todavía está operando hoy.
Además, hemos demostrado que nuestros imanes funcionan con un 95% de eficiencia energética, exhiben campos de compresión superiores a 10 Tesla y plasmas sostenidos con vidas útiles superiores a 1 ms.
¿Por qué son importantes 100 millones de grados Celsius para la fusión?
El enorme tamaño del Sol y la atracción gravitacional permiten presiones extremas en su núcleo, las condiciones perfectas para la fusión. En la Tierra, dado que no tenemos la misma fuerza gravitacional, tenemos que calentar mucho el plasma para que se fusione, incluso más caliente que el sol. Las reacciones de fusión son más probables (y ocurren más rápido) a medida que el combustible se calienta.
Generalmente se considera que 100 millones de grados Celsius es la temperatura mínima requerida para que se produzcan grandes cantidades de fusión para generar electricidad comercial a partir de la fusión. También es importante tener un buen confinamiento de energía (la velocidad a la que se enfría el combustible) y suficiente densidad (cantidad de combustible) para tener sistemas pequeños y rentables.
El sexto prototipo de Helion, Trenta, alcanzó temperaturas superiores a 9 keV, equivalentes a 104 millones de grados Celsius. Helion es la primera empresa de fusión privada en alcanzar esta temperatura.
¿Cómo genera Helion electricidad a partir de la fusión?
Nuestro dispositivo recaptura directamente la electricidad; no utiliza calor para crear vapor para hacer girar una turbina, ni requiere la inmensa entrada de energía de los imanes superconductores criogénicos. Nuestro enfoque técnico reduce la pérdida de eficiencia, que es clave para nuestra capacidad de comercializar electricidad de fusión a muy bajos costos.
Los plasmas FRC de nuestro dispositivo son de beta alta y, debido a su corriente eléctrica interna, producen su propio campo magnético, que empuja el campo magnético de las bobinas alrededor de la máquina. Los FRC chocan en la cámara de fusión y son comprimidos por imanes alrededor de la máquina. Esa compresión hace que el plasma se vuelva más denso y más caliente, iniciando reacciones de fusión que hacen que el plasma se expanda, lo que resulta en un cambio en el flujo magnético del plasma. Este cambio en el flujo magnético interactúa con los imanes alrededor de la máquina, aumentando su flujo magnético, iniciando un flujo de electricidad recién generada a través de las bobinas. Este proceso se explica por la ley de inducción de Faraday.
Los FRC son de beta alta. ¿Qué significa eso?
Un FRC es una configuración de plasma de alta beta, lo que significa que la relación entre la presión de compresión del campo magnético externo y la presión del campo magnético interno del plasma es cercana al 100%. La beta alta es lo que permite a Helion acelerar, traducir, comprimir y calentar un plasma a granel y por qué los plasmas FRC comprimidos no tienen límites de temperatura fundamentales como la mayoría de los otros mecanismos de calentamiento de combustible de fusión.
En comparación, un tokamak (otro método de confinamiento magnético por fusión) crea una forma toroidal al tener estructuras dentro del combustible de plasma caliente y tener una beta promedio del 5% o menos. Ésta es una de las ventajas clave del enfoque de Helion. El FRC de alta beta aumenta la eficiencia y permite que nuestra máquina recupere electricidad directamente del plasma.
La velocidad de reacción de fusión (la cantidad de energía producida) escala como campo magnético a la 4ª potencia, una escala extremadamente fuerte. Sin embargo, ese es el campo magnético dentro del plasma, no fuera, que escala como Beta² y B_external⁴. Un 10 Tesla Helion FRC supera a un 44 Tesla Tokamak.
¿Qué hará Polaris?
El séptimo prototipo de fusión de Helion, Polaris, demostrará la electricidad neta de la fusión y también demostrará la producción de helio-3 a través de la fusión deuterio-deuterio.
Su construcción nos permitirá escalar los avances técnicos que hemos logrado en nuestros primeros 6 prototipos a escala comercial. Además, aumentaremos la tasa de repetición de los pulsos de fusión. En Trenta, ejecutamos pulsos de fusión una vez cada diez minutos. Polaris pulsará una vez por segundo (1 Hz).
¿Cuándo producirá Helion electricidad?
Esperamos que Polaris pueda demostrar la producción de una pequeña cantidad de electricidad neta para 2024. Continuaremos iterando nuestro dispositivo rápidamente para que podamos ofrecer energía de fusión comercial para la red lo antes posible.
¿Cuánto costará la energía de fusión de Helion?
Estimamos que la energía de fusión de Helion será una de las fuentes de electricidad de menor costo.
Se proyecta que el costo de producción de electricidad de Helion sea de $ 0.01 por kWh sin asumir ninguna economía de escala de la producción en masa, créditos de carbono o incentivos gubernamentales.
Hay cuatro componentes principales del costo de la electricidad: 1) Costo de capital 2) Costo de operación 3) Tiempo de actividad 4) Costo de combustible. Se proyecta que la planta de energía de fusión de Helion tendrá un costo de combustible insignificante, un bajo costo operativo, un alto tiempo de actividad y un costo de capital competitivo. Nuestras máquinas requieren un costo mucho menor en equipo de capital porque podemos realizar la fusión de manera tan eficiente y no requerimos grandes turbinas de vapor, torres de enfriamiento u otros requisitos de planta de los enfoques tradicionales de fusión.
¿La fusión es realmente abundante?
Los generadores de Helion funcionan con deuterio, un isótopo de hidrógeno que se encuentra en todas las formas de agua, y helio-3, un producto de la fusión de átomos de deuterio. Los océanos de la Tierra contienen 10¹⁸ L de agua deuterio (D₂0). Esto es suficiente para generar 10¹⁶ TWh de electricidad, o suficiente para abastecer todas las necesidades energéticas humanas actuales durante miles de millones de años.
¿Es segura la fusión?
El enfoque de fusión sin ignición de Helion significa que no hay reacción en cadena y la máquina se puede apagar instantáneamente. Tampoco hay riesgo de una reacción en cadena descontrolada.
Los generadores de fusión de Helion producirán algo de radiación mientras funcionan; será una cantidad pequeña y manejable. Helion puede utilizar materiales de protección disponibles comercialmente para limitar la cantidad de radiación que sale de la máquina.
¿La fusión produce residuos?
La fusión de Helion no produce ningún residuo radiactivo de larga duración. Nuestra máquina produce tritio, que se usa comúnmente en aplicaciones comerciales como relojes de pulsera y señales de salida. La vida media del tritio es de solo 12 años (en comparación con los 24 000 años de los desechos de fisión). Y a medida que el tritio se desintegra, se convierte en helio-3, que usamos como combustible de fusión.
Además del tritio, la radiación de la fusión crea algunos "materiales activados" durante la vida útil de una planta de energía. Las plantas de Helion se han diseñado específicamente para usar solo materiales que darían como resultado una baja activación, similar a lo que podrían crear los dispositivos médicos u otros aceleradores de partículas.
¿Se puede convertir la fusión en un arma?
La fusión no produce una reacción en cadena, por lo que la fusión en sí no es armable.
Además, ningún método de fusión utiliza ni produce plutonio o uranio, el material fisionable utilizado en las armas nucleares, y las reacciones de fusión son muy poco prácticas de utilizar para cualquier proceso de enriquecimiento.
Lo más importante es que Helion cree que en un mundo con fusión, nadie necesitaría uranio funcionalmente. Por tanto, la fusión podría desempeñar un papel fundamental en la verdadera no proliferación.
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