Gestión del calor de fusión: conversión de plasma de 150 millones de °C en electricidad utilizable
Introducción
Cada vez que contemplamos el cielo estrellado, la luz y el calor que percibimos son esencialmente el resultado de continuas reacciones de fusión nuclear dentro de las estrellas. Simular este proceso para proporcionar a la humanidad energía limpia e ilimitada ha sido un objetivo de la comunidad científica durante décadas. En la Tierra, "recrear el Sol" implica desafíos de ingeniería que van mucho más allá de encender la llama de la fusión: gestionar de forma segura, continua y eficiente el enorme calor generado por la reacción es uno de los mayores obstáculos.
Descripción general de la reacción de fusión nuclear
La fusión nuclear es el proceso mediante el cual dos núcleos atómicos ligeros se combinan para formar un núcleo más pesado, liberando una enorme cantidad de energía. La energía del Sol y de todas las estrellas proviene de este proceso. En el núcleo del Sol, el confinamiento gravitacional permite una fusión sostenida a unos 15 millones de grados Celsius bajo presión extrema.
En la Tierra, no podemos depender de la gravedad a escala solar. Para lograr una fusión controlada, se emplean otros métodos para crear y mantener las condiciones de reacción. Las principales vías técnicas son el confinamiento magnético (como los dispositivos tokamak) y el confinamiento inercial (como la fusión láser).
Independientemente del enfoque, para lograr una ganancia neta de energía efectiva, el plasma de fusión debe cumplir el criterio de Lawson: el producto de la temperatura, la densidad y el tiempo de confinamiento de la energía debe alcanzar un valor crítico. Cuando la energía liberada por la fusión, especialmente la transportada por partículas cargadas, calienta suficientemente el plasma, la reacción puede ser autosostenida.
La esencia y distribución de la generación de calor
En la reacción de fusión deuterio-tritio (DT), la más prometedora para su comercialización a corto plazo, cada reacción libera aproximadamente 17,6 MeV de energía. Esta energía no se libera de manera uniforme, sino que es transportada principalmente por dos productos: neutrones (aproximadamente 14,1 MeV) y partículas alfa (aproximadamente 3,5 MeV).
Los neutrones, al no tener carga, apenas interactúan con los campos magnéticos y salen disparados del plasma, penetrando la estructura de la manta circundante. Allí, se ralentizan mediante reacciones nucleares con materiales de la manta (litio, plomo, berilio, etc.) y depositan su energía cinética, convirtiendo la mayor parte en energía térmica. Esta porción representa aproximadamente el 80 % de la energía de fusión total liberada y constituye la principal fuente de energía de fusión utilizable.
Las partículas alfa cargadas están confinadas por el campo magnético, depositando la mayor parte de su energía dentro del plasma para autocalentarse, reduciendo así la necesidad de energía externa. Además, el plasma pierde parte de su energía por radiación, que impacta directamente en la primera pared más interna.
Por lo tanto, la utilización eficiente de la energía de fusión depende de la transferencia confiable y eficiente del calor depositado por los neutrones en la manta y del calor de la radiación/partículas en la primera pared a electricidad a través de un sistema robusto de transferencia y conversión de calor.
Enlaces clave en la transferencia de calor
El refrigerante de alta temperatura transporta calor que debe transferirse al sistema de conversión de energía posterior, lo que requiere intercambiadores de calor para salvar esta brecha.
Función del intercambiador de calor
En los sistemas de conversión de energía de fusión, los intercambiadores de calor transfieren calor del refrigerante a alta temperatura a un fluido de trabajo (normalmente agua u otro fluido adecuado). El fluido de trabajo absorbe calor y experimenta un cambio de fase, pasando de líquido a vapor a alta temperatura y presión.
De manera similar a los reactores de agua a presión en las plantas de energía de fisión, el refrigerante de alta temperatura del circuito primario intercambia calor con el agua del circuito secundario, vaporizándolo para producir vapor para la generación de energía posterior.
Ciclos avanzados: ciclo Brayton de CO₂ supercrítico
En los últimos años, el ciclo Brayton de dióxido de carbono supercrítico (sCO₂) se ha convertido en una opción atractiva. A altas temperaturas, el CO₂ alcanza una mayor eficiencia térmica que los ciclos de vapor tradicionales (potencialmente superior al 40 %) con equipos más compactos.
Objetivos y desafíos de la gestión del calor de fusión
El objetivo de la gestión del calor de fusión es convertir de forma segura y eficiente la energía térmica depositada por neutrones y radiación en electricidad y calor utilizables. Para lograrlo, se requieren avances en materiales resistentes a la radiación y a altas temperaturas, soluciones de refrigeración eficientes y fiables, la integración de ciclos térmicos avanzados y mejoras integrales en la seguridad y el mantenimiento del sistema.
Los esfuerzos internacionales actuales, como el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER) y los reactores nacionales de prueba de ingeniería de fusión (por ejemplo, el CFETR de China), están realizando amplios experimentos y validaciones en estas direcciones.
Acerca de Shenshi
Fundada en 2005, Hangzhou Shenshi Energy Conservation Technology Co., Ltd. (SHENSHI) es una empresa de alta tecnología especializada en tecnologías de transferencia de calor y microrreacción energéticamente eficientes. Como pionera en la gestión térmica baja en carbono, Shenshi diseña y fabrica intercambiadores de calor y microrreactores de alto rendimiento para sectores como la energía, la ingeniería marina y offshore, el hidrógeno, la industria farmacéutica y la fabricación avanzada.
Con soluciones implementadas en más de 40 países, Shenshi se compromete a ofrecer tecnologías térmicas confiables, eficientes y sostenibles para aplicaciones industriales exigentes.