Mencione la energía de fusión, y la gente de aquí pensará en los avances que están ocurriendo en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) en la fusión, combinación, de los núcleos de los isótopos de hidrógeno. Pero hay otros tipos de energía de fusión, incluida una posibilidad remota que acaba de recibir un gran impulso de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) del Departamento de Energía.
Nat Fisch (segundo a la izquierda) y su equipo de investigación están buscando la fusión protón-boro11, que Fisch llama "el santo grial de la energía de fusión realmente limpia y abundante". El equipo de Fisch incluye dos posdoctorados, Ian Ochs (derecha) y Elijah Kolmes (centro), ambos con doctorado en 2022. ex alumnos de Princeton y dos estudiantes graduados, Mikhail Mlodik (segundo a la derecha) y Tal Rubin (izquierda).
Foto de Denise Applewhite, Oficina de ComunicacionesEl audaz proyecto de investigación está investigando el "santo grial" de la energía de fusión limpia, dijo Nat Fisch, profesor de ciencias astrofísicas en la Universidad de Princeton e investigador principal del nuevo proyecto. . A diferencia de la fusión de deuterio-tritio (DT) perseguida durante décadas, él y su equipo quieren explotar la reacción de fusión de un protón con un ion boro-11 (pB11).
“Por supuesto, la reacción de fusión más fácil con diferencia es la DT”, dijo Fisch, quien también es director del Programa de Física del Plasma en la Universidad y director asociado de asuntos académicos en PPPL. “Es bastante difícil, pero sigue siendo el enfoque más sensato a seguir, y me enseñaron en la escuela de posgrado que la reacción pB11 no puede ser práctica. Sin embargo, pB11 es el santo grial de la energía de fusión realmente limpia y abundante”.
Emily Carter, quien recientemente fue nombrada asesora estratégica sénior para la ciencia de la sustentabilidad en PPPL, dijo: "La energía de fusión tiene el potencial de proporcionar electricidad estable para alimentar al mundo sin la intermitencia y los requisitos de terreno de los parques solares y eólicos, y por lo tanto vale la pena nuestra inversión”. Carter también es profesor Gerhard R. Andlinger de Energía y Medio Ambiente de Princeton, así como profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial, el Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente, y matemáticas aplicadas y computacionales.
Fisch se enteró recientemente de que su equipo recibiría 1,5 millones de dólares del programa ARPA-E OPEN 2021, que da prioridad a la financiación de tecnologías que respaldan enfoques novedosos para los desafíos de la energía limpia.
Al anunciar los proyectos ARPA-E seleccionados, la secretaria de Energía de EE. UU., Jennifer Granholm, dijo: "Las universidades, las empresas y nuestros laboratorios nacionales están redoblando sus esfuerzos para promover la innovación y la fabricación de tecnologías de energía limpia en Estados Unidos para ofrecer soluciones energéticas críticas, desde energías renovables hasta fusión. energía para hacer frente a la crisis climática”.
Hay una enorme energía disponible en la transformación de elementos: en el caso de la fisión nuclear por escisión de núcleos pesados, en el caso de la fusión por combinación de núcleos ligeros, reacción nuclear que no conlleva riesgos de fisión. “Para preservar el clima de nuestro planeta, se necesitan fuentes de energía libres de carbono como la fusión”, dijo Fisch. “La energía de fusión ofrece ventajas sobre la fisión”, continuó, “no solo por su suministro inagotable de combustible, sino también porque evita los riesgos de accidentes de reactores, proliferación nuclear o desechos nucleares de larga duración”.
El esfuerzo mundial se ha concentrado en la reacción de fusión más sencilla, utilizando dos formas de hidrógeno: deuterio y tritio. El enfoque principal para aprovechar la energía de esta reacción es el tokamak, un dispositivo en forma de rosquilla que confina la reacción a través de grandes campos magnéticos. El Laboratorio de Física de Plasma de Princeton ha sido un líder mundial en este enfoque.
Un tipo diferente de reacción de fusión
El proyecto de Princeton recientemente financiado por ARPA-E, "Economical Proton-Boron11 Fusion", no es solo una variante de la fusión DT, sino que emplea una fusión completamente diferente reacción, fusionando un protón (el núcleo de un átomo de hidrógeno) y un núcleo de boro-11 (cinco protones y seis neutrones). Ambos tipos de reacciones de fusión liberan una enorme energía, pero la reacción protón-boro11 (pB11) requiere una temperatura mucho más alta que la reacción DT.
“La reacción de DT ya es un desafío colosal, ya que requiere cientos de millones de grados, por lo que una reacción que requiera temperaturas aún más altas se considera prácticamente imposible”, dijo Fisch. “Además, incluso si se pudieran alcanzar esas temperaturas, a temperaturas tan altas, los electrones producen rayos X que se llevan más energía que la energía producida en la reacción de fusión. Por lo tanto, por buenas razones, la reacción de pB11 se ha descartado como una posibilidad real para la energía de fusión económica”.
"Pero, a pesar de estos desafíos", dijo Fisch, "la reacción de pB11 es tentadora". Entre otras ventajas, tanto los protones como el boro-11 están fácilmente disponibles, de forma natural y económica. "El único problema es que los desafíos son insuperables ", dijo Fisch. "¿O lo son?"
Su equipo propone mantener los protones y el boro a diferentes temperaturas y principalmente en diferentes ubicaciones, lo que limitaría la pérdida de calor hacia el entorno y maximizaría la reactividad de fusión. La clave: aprovechar la gran disparidad de masa entre los protones y el boro haciendo girar el plasma vigorosamente, de modo que los protones más ligeros residan principalmente en una región mucho más caliente, mientras que los iones de boro más pesados residan en una región más fría.
"Nuestras ideas sobre esto son muy remotas", dijo Fisch. “Pero mientras no violemos ninguna ley fundamental de la termodinámica, ¡y nos acercaremos mucho a eso! — Me imagino que tenemos la obligación de explorar completamente el potencial positivo de la fusión pB11. Nuestra propuesta es puramente teórica, por lo que no requiere los grandes recursos asociados con los experimentos. Sin embargo, si nuestras ideas funcionan, tal vez sea poco probable pero fantástico si lo hacen, necesitaremos socios que nos ayuden a navegar las incertidumbres clave de manera experimental”.
Continuó: “Pero, incluso antes de construir experimentos, necesitaremos socios, probablemente fuera de nuestra especialidad de física de plasma, para ayudar a avanzar en nuestro concepto. Hay nuevas consideraciones de ingeniería interdisciplinarias que deben abordarse en la fusión de pB11. Por ejemplo, para resolver el importante problema de recircular eficientemente la energía perdida como rayos X, esperamos beneficiarnos de la experiencia de físicos e ingenieros que se encuentran en varias Universidades. departamentos, además de la experiencia en física de plasma que se encuentra en PPPL”.
Actualmente, el equipo de Fisch incluye dos posdoctorados, Ian Ochs y Elijah Kolmes, y dos estudiantes de posgrado, Mikhail Mlodik y Tal Rubin. Ochs y Kolmes son 2022 Ph.D. se graduó de Princeton con títulos en ciencias astrofísicas. Sus tesis, ambas supervisadas por Fisch, trataban sobre temas aparentemente distantes del proyecto pB11, pero que proporcionaban algunos de sus fundamentos teóricos clave.
“El problema pB11 nos lleva a una serie de preguntas fundamentales de la física, al mismo tiempo que nos desafía a resolver acertijos prácticos con un gran potencial”, dijo Kolmes, quien también completó una licenciatura en física en Princeton en 2015. “Ya sea que tengamos éxito o no, seguro que pasaremos un rato divertido descubriendo cosas interesantes. Además, es agradable trabajar con el equipo. Es un ambiente muy amigable y colaborativo”.
Ochs, quien fue becario Jacobus, el honor más alto de Princeton para un estudiante de posgrado, estuvo de acuerdo: “Este es un equipo que ha trabajado muy bien en conjunto durante muchos años. Incluso cuando tuvimos que pasar de reunirnos alrededor de la pizarra a reunirnos en Zoom, nunca perdimos el sentido cercano de colaboración y apoyo que nos permitió combinar el conjunto de habilidades y la base de conocimientos únicos de cada persona para abordar problemas difíciles y complejos. Este espíritu de trabajo en equipo se ejemplifica en la gran cantidad de publicaciones en coautoría producidas por el grupo. Estamos muy emocionados de utilizar esta base firme para abordar uno de los mayores desafíos en la investigación de la fusión: la energía de fusión aneutrónica verdaderamente limpia”.
Esta investigación cuenta con el apoyo de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E), que promueve tecnologías energéticas de alto potencial y alto impacto que desarrollan formas completamente nuevas de generar, almacenar y usar energía. Los proyectos de investigación y desarrollo de OPEN 2021 tienen como objetivo desarrollar tecnologías disruptivas para fortalecer la empresa energética avanzada de la nación.
