SPARC:new fusion reactor

ITER: OBSOLETE, BEFORE IT IS  BORN?

Some private firms from   USA (Commonwealth Fusion Sistems/constituted  on 2017, with former researchers from MIT), Italy  (ENI) and MIT (Plasma Science and Fusion Center/ MIT), will try in the next 15 years to develop a pilot plant to generate energy through nuclear fusion (union of atomic nuclei), capable of generating immense amounts of energy, free of pollution. The plan foresees the use of high-temperature   superconductors,  capable of generating magnetic super-fields inside a new type of nuclear reactors: SPARC (small compact, robust, compact reactor),  small, cheap, easy to build and faster, able to become antiquated - before being born - to the French ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, started to build on 2013, with economic support from Europe [45%], USA, China, India, Japan, Korea and Russia), given their problems of construction, high cost and organizational problems. An ITER, condemned to an announced death, because it continues half-built, hoping to produce  only on 2035,  its first   overheated  plasma  in a power plant of just 500 MW and a final cost of 50 billion dollars.   The artificial nuclear fusion tries to replicate on Earth, the process that naturally occurs inside our sun, converting H atoms into Helium, at extreme temperatures. Although ITER has advanced creating magnets capable of containing the overheated plasma, it still does not overcome the problem of being able to control the reaction, given the extreme temperatures. ITER is confident that the generated and reheated energy will move turbines that will produce electricity at low cost, expecting to build more than 100,000 km of niobium superconductors, a prerequisite for the construction of supermagnets that would conduct the superheated plasma (superheated matter, turned into gas, formed by  free  (not joined as in atoms), positive  and negative subatomic particles),  away from the metal walls inside the tokamak. The joint venture MIT-CFS, to build the new reactors, has just received 50 million dollars to research, refine and transform in the following 3 years different varieties of superconductors at extreme temperatures, then in the next 10 years have ready the first reactor prototype, a 200-megawatt power plant to export electricity. Researchers at MIT and the CFS plan to avoid contacting the superheated plasma with any part of the interior of the tokamak, developing powerful superconductors and electromagnets capable of producing a more compact version of tokamak. Here,  enters to carve a new superconducting material: an steel tape, covered by a compound of: Yttrium-barium-copper oxide (YBCO), which will allow scientists to produce smaller and more powerful magnets, reducing the amount of energy necessary to start the fusion reactions. The CFS will design and build a compact experimental fusion plant: SPARC, using these magnets, with the expectation that its first commercial fusion plant will generate 100 MW of electricity, enough to supply a small city. Supermagnets are the key technology for these new fusion reactors as their magnetic fields will be 4 times more powerful than any current tokamak. The final design includes a sustainable, carbon-free, potentially inexhaustible fusion plant (200 MW of electricity), within 15 years. The SPARC, an evolution of the tokamak, has only 1/65 of   ITER’ volume, thus  drastically reducing the cost of these plants.

 ITER: ¿OBSOLETO, ANTES DE NACER?

Algunas firmas privadas de USA (Commonwealth Fusion  Sistems/constituida el 2017, con ex investigadores del MIT), Italia (ENI) y el MIT (Plasma Science and Fusión Center/MIT), intentaran en un plazo de 15 años, desarrollar una planta piloto para generar energía mediante fusión nuclear (unión de núcleos atómicos), capaz de  generar  inmensas cantidades de energía, libres de polución. El plan prevé la utilización de  superconductores de electricidad de alta temperatura, capaces de generar supercampos magnéticos al interior de un nuevo tipo de reactores nucleares : SPARC (smallest private affordable, robust compact reactor), pequeños, baratos, fáciles de construir y más  veloces, capaces de  tornar anticuado -antes de nacer- al ITER francés (International Thermonuclear Experimental Reactor,   empezado a construir  el  2013, con  respaldo  económico de Europa [45%],  USA, China, India, Japón, Corea y Rusia),  dado sus problemas de construcción, alto costo y problemas de organización. Un ITER, condenado a una muerte anunciada, porque continua a   medio construir esperando producir recién el 2035, su primer plasma recalentado en una planta de poder de apenas 500 MW y un costo final de 50 billones de dólares.  La fusión nuclear artificial intenta replicar en la Tierra, el proceso que en forma natural ocurre al interior de nuestro sol, convirtiendo átomos de H en Helio, a temperaturas extremas.  Aunque el ITER ha avanzado creando magnetos capaces de contener el plasma recalentado, aun no supera el problema de poder controlar la reacción, dadas las temperaturas extremas. El ITER, confía en que la energía generada y recalentada moverá turbinas que producirán electricidad a bajo costo, esperando   construir más de 100,000 km de superconductores de niobio, prerrequisito para la construcción de supermagnetos que conducirían el plasma recalentado (materia supercalentada, devenida en gas, conformada por partículas subatómicas positivas y negativas libres: no unidas como en los atomos), lejos de las paredes metálicas del interior del tokamak. El joint venture MIT-CFS, para construir los nuevos reactores, acaba de recibir 50 millones de dólares   para investigar, perfeccionar y transformar en los siguientes 3 años distintas variedades de superconductores a temperaturas extremas, para luego en los siguientes 10 años tener listo el  primer prototipo de reactor,  una planta de poder de  200-megwatt para exportar electricidad.  Los investigadores del MIT y el CFS, prevén evitar el contacto del plasma recalentado con cualquier parte del interior del tokamak, desarrollando poderosos superconductores y electromagnetos capaces de elaborar una versión más compacta de tokamak. Aquí, entra a tallar un nuevo material superconductor:  una cinta de acero, cubierta por un compuesto de:  Ytrio-bario-oxido de cobre (YBCO), que permitirá a los científicos producir magnetos más pequeños y más poderosos, reduciendo la cantidad de energía necesaria para  iniciar las reacciones de  fusión.  El CFS diseñara y construirá una planta de fusión experimental compacta: SPARC, empleando estos magnetos, esperándose que su primera planta comercial de fusión genere 100 MW de electricidad, suficiente para abastecer una pequeña ciudad. Los supermagnetos son la tecnología clave para estos nuevos reactores de fusión en tanto sus campos magnéticos serán 4 veces más potentes que cualquier tokamak actual. El diseño final comprende a una planta de fusión sostenible, libre de carbón, potencialmente inexhaustible (200 MW de electricidad), dentro de 15 años. El SPARC, una evolución del tokamak, posee apenas 1/65 del volumen del ITER, reduciendo   drásticamente el costo de estas plantas.  

STELLARATORS

TOKAMAKS and  STELLARATORS

A relatively easy nuclear fission of heavy nuclei (U, Pt), allowed the creation of nuclear power plants and atomic bombs, with certain costs: emitted radiation and waste disposal that caused some serious accidents. Alternatively, after 1950 the first Russians tokamaks, intended to release energy by nuclear fusion of two or more light nuclei (H, He), in toroidal chambers where nuclear collisions at high speeds created a new  nuclei releasing large amounts of energy as photons. A type of energy for peaceful purposes, in which 1 g of matter  generate  energy equivalent to 8 tons of fuel, that produce no accidents, is   clean, safe (does not use U) and because the fuel is not inside the machine…it is just  injected. If the machine stops itself or the electrical power fails, the system automatically cools... nothing happens. An improved power reactor  derived from primitive  tokamaks using the nuclei fusion of H and He, is the : stellarator Wendelstein 7-X(W7-X), built by a branch of the Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), which began 20 years ago and was put into operation on 10 December 2015. The W7-X, comprises a modified toroidal chamber designed to produce clean and unlimited energy. Main differences of WX-7 with  tokamaks are: a- No U or Pt, are used.  therefore W7-X, does not generate radiation b-Both devices have  difficulties  to uniformly compress the H. c-While tokamaks  maintain  the plasma generated by a maximum of 7 minutes, the W7-X,  kept active plasma for 30 or more minutes. d-Tokamaks have  difficulties to start its functioning, having not yet reached the point of balance between the energy of acceleration necessary to confine the plasma and fusion for  some particles, similar problems that  ITER,  try to solve. For nuclei fusion  takes place into the W7-X, it is necessary to maintain temperatures of over 100 million degrees Celsius and enormous forces. Such temperature separates electrons of atoms, generating a plasma comprising electrons and ions permitting them to travel faster, preventing repulsion of each other, allowing fusion. To keep  gases confined, it is used  a series of magnets. An electrical circuit around the toroid generates a strong magnetic field that keeps the plasma away from the walls. To prevent particles from escaping by the ends, the pipes are bent, in such a way that shaping torus or doghnuts, created endless ways. Many problems of  W7-X, have been solved  adding bending or twists to the main pipe, so that  particles travel easily through  ups and downs of magnetic fields. Optimizing a W7-X, means to endow the magnetic field with  the best shape in order to confine the plasma, more efficiently. All W7-X devices, are controlled by computers and lasers. Large temperatures are controlled externally by a cooling system close to absolute zero, which prevents leakage of particles. The W7-X, also has 250 ports for supplying and removing fuel, to heat the plasma and to make diagnostics and real tests. Actually, many researchers try to  determine  the energy confinement time and the frequency at which the plasma loses its energy. Fusion experiments with H isotopes will start on 2016. Although the current diameter of the W7-X is 16 m, all foresee  a reduction (~ 8 m) in the near future.

TOKAMAKS  y  STELLARATORS

La fácil fisión nuclear de núcleos pesados (U, Pt),  permitió la  creación de  bombas atómicas y  centrales nucleares, con ciertos costos: radiación emitida y  eliminación de  deshechos,  causantes de ciertos   accidentes serios. Alternativamente,  a  partir de  1950 se crearon los primeros  tokamaks rusos, destinados a liberar  energía por  la fusión nuclear de 2 o más núcleos ligeros (H, He), en cámaras  toroidales  donde la colisión nuclear  a altas velocidades generaba  un nuevo núcleo liberando  grandes cantidades de  energía en forma de fotones. Un tipo de energía destinado a fines  pacíficos,  en la que  1 g de materia proporción  el  equivalente energético de   8 toneladas de petróleo,  sin accidentes,  limpia, segura (no  emplea U) y porque el combustible no está dentro de la maquina…simplemente se  inyecta. Si la  maquina se detiene de por sí o, deja de funcionar la  corriente eléctrica,  el sistema se enfría automáticamente…no  pasa nada.  Una versión mejorada de  generación de  energía derivada de  primigenios tokamaks,  empleando la fusión de núcleos de He e H, es el reactor nuclear: Wendelstein 7-X stellarator (W7-X), construido por una rama del Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), iniciado  hace 20 años y puesto en funcionamiento el  10 de diciembre del 2015. El W7-X, comprende  una  cámara toroidal  modificada  destinada a producir energía limpia e ilimitada. Las principales diferencias del WX-7 respecto a los tokamaks son :a-No emplea U ni Pt, por lo tanto no genera radiación b- Ambos tienen dificultades para  comprimir uniformemente el H. c-Mientras los tokamaks mantienen el plasma generado por un máximo de 7 minutos,  los W7-X,  lo mantienen por 30 y más minutos. d-Existen dificultades para iniciar un tokamak, no habiéndose  alcanzado aún, el punto de equilibrio entre la energía de  aceleración, la necesaria para confinar el plasma y la  obtenida con la fusión de algunas partículas, problemas similares a los que el mismo  ITER intenta  resolver. Para que la fusión de los núcleos se produzca, al   interior del W7-X,  es necesario mantener temperaturas de más de 100 millones de grados Celsius  y fuerzas enormes. Tal temperatura  separa electrones de  átomos, generando un   plasma compuesto por electrones e iones permitiendo que estos últimos  viajen más rápido,  evitando la repulsión entre sí,  permitiendo  la   fusión. Para mantener contenido al gas,  hay que emplear  una serie de magnetos. Un  circuito de corriente eléctrica alrededor del toroide  genera  un fuerte  campo magnético  que mantiene al plasma lejos de las paredes. Para evitar que las partículas escapen por los extremos,  los tubos son doblados, en forma de  doghnuts o  torus, creando  vías interminables.  Muchos problemas de los W7-X, han sido  resueltos añadiendo dobleces al tubo principal, de modo que las partículas viajen sin dificultad por los altibajos de los  campos magnéticos. Optimizar un W7-X, consiste en, dotar  al campo magnético de las formas más adecuadas para confinar al plasma del modo más eficiente.  Todos los dispositivos del W7-X, están controlados por ordenadores y láseres.  Las grandes temperaturas se controlan  exteriormente por un sistema de enfriamiento cercano al cero absoluto, que imposibilita las filtraciones de partículas. Posee además   250 puertos para suministrar y remover el combustible,  calentar el plasma y hacer diagnósticos y test reales. Se trabaja bastante en determinar el tiempo de confinamiento energético y la frecuencia a la cual el plasma pierde va perdiendo su energía. Los experimentos de  fusión de isotopos de  H empezaran el 2016.  Aunque el diámetro  actual del W7-X es  16 m, todo sugiere una reducción (~ 8 m) del mismo en el futuro cercano.