Un día de agosto de 2023, surgió una noticia en todos los sectores principales: el sol artificial de China "Gyre 3" logró por primera vez funcionar en modo de alta restricción bajo una corriente de plasma de 1 millón de amperios, lo que es un monumento importante a la carrera controlable de fusión nuclear de mi país. "Gyre 3" aplica un tipo de fusión por confinamiento magnético, lo que significa que primero se calienta el combustible para convertirlo en plasma, y luego se utiliza el campo magnético para restringir las partículas cargadas en el plasma de alta temperatura, lo que hace que se mueva en espiral, calentando aún más el plasma hasta que se produce una reacción de fusión nuclear.
Para decirlo sin rodeos, lograr un funcionamiento en modo de alta restricción con una corriente de plasma de 1 millón de veces A es como desarrollar un aro de oro para Sun Wukong. Al recitar la maldición apremiante, Sun Wukong puede hacer buenas obras en lugar de hacer cosas obstinadas.
En todo el mundo, existen muchas formas de lograr el confinamiento por fusión magnética. Por ejemplo, la máquina magnética de anillos, también conocida como tokamak. Funciona mediante un campo eléctrico causado por un transformador que impulsa una corriente (flecha roja grande) a través de una columna de plasma, creando un campo magnético poloidal que dobla la corriente de plasma en un círculo (círculo vertical verde). Doblar la columna de plasma en un círculo evita fugas y hacerlo dentro de un recipiente con forma de rosquilla crea un vacío. El otro campo magnético que rodea la longitud del círculo se llama campo magnético toroidal (círculo horizontal verde). Los dos campos se combinan para formar una curva tridimensional que se asemeja a una estructura en espiral (mostrada en negro) en la que el plasma está muy confinado. Para decirlo sin rodeos, es como un burro tirando de un molino. El burro siempre dará vueltas alrededor de la piedra de molino y luego producirá resultados mediante la rotación de la piedra de molino.
El plasma mencionado anteriormente se refiere al estado del gas a temperaturas extremadamente altas. En un plasma, los electrones son despojados de los átomos. Se dice que los átomos que han perdido electrones alrededor del núcleo están en estado ionizado y se llaman iones. Por tanto, el plasma está compuesto de iones y electrones libres. El plasma tiene una conductividad casi perfecta y, bajo la influencia de un campo magnético, exhibirá varias estructuras tridimensionales, como filamentos, cilindros y capas dobles. Los campos magnéticos también se pueden utilizar para capturar, mover y acelerar varios plasmas. Lo mismo ocurre con Sun Wukong. Fue quemado en el horno de alquimia de Taishang Laojun con ojos penetrantes y ojos dorados. Después de salir, pudo ver a través del espíritu de hueso blanco de un vistazo.
En términos generales, la unidad comúnmente utilizada en la fusión nuclear es el megavatio, que es MW. Por ejemplo, en 1991, el reactor europeo de fusión en anillo conjunto realizó por primera vez una fusión controlada, produciendo alrededor de 1,7 MW de electricidad. Aunque dura sólo 2 segundos, es una de las partes más importantes en la historia de la energía limpia humana. Sin embargo, en el artículo de noticias original, solo vemos la unidad de corriente (amperio), mientras que el megavatio es el producto de la corriente y el voltaje. Esto significa que lo que implementa actualmente "Gyre Current No. 3" es principalmente un método de control, que se puede convertir en generación de energía después de ingresar voltaje, es decir, el encendido del reactor. Por eso se lo compara con el aro dorado de Sun Wukong.
Para dar un ejemplo inadecuado, incluso si se conecta una batería AA común al "Hybrid 3", su generación de energía puede alcanzar los 1,2 MW. Una explicación encubierta del contenido de oro del plasma de alto confinamiento de 1 millón de amperios.
Investigación y desarrollo en el camino hacia el aprendizaje
En noviembre de 2006, China, la Unión Europea y otras siete partes firmaron un acuerdo para lanzar el Programa Internacional de Reactores Experimentales de Fusión Termonuclear. Este plan está impulsado por el ITER (Reactor Experimental Termonuclear Internacional), integrando los principales logros científicos y tecnológicos de fusión nuclear por confinamiento magnético controlado del mundo actual, y solucionando un gran número de problemas técnicos. En 2007, Francia inició la construcción de un tokamak de 500 MW.
En la máquina, el plasma se calentará a 150 millones de grados centígrados, 10 veces más que el núcleo del sol, para llevar a cabo reacciones de fusión nuclear. Por el contrario, la temperatura de los imanes superconductores de la máquina es inferior a -269 grados Celsius. Para este tokamak se necesitan en total unos 10 millones de piezas, que llegan a la obra del ITER desde todo el mundo. ¿Cuál es el concepto de 150 millones de grados Celsius? Según la interpretación de generaciones posteriores de "Journey to the West", el Samadhi True Fire de Red Boy es de sólo cuatro o cinco mil grados Celsius. La temperatura del reactor equivale a 300.000 Red Boy unidos.
Según el último informe del ITER, la máquina está montada al 50% y pasará por su primera fase de funcionamiento en diciembre de 2025. Una vez que esta máquina funcione perfectamente, todos los combustibles fósiles del mundo serán sustituidos por energía limpia.
Pero al igual que lo que se describe en "Viaje al Oeste", Sun Wukong tiene vastos poderes sobrenaturales y un poder mágico ilimitado. También es un sueño de tontos tratar de atarlo con solo un pequeño aro dorado. Tomando como ejemplo la ignición más básica, si la temperatura del reactor no se puede calentar a más de 100 millones de grados Celsius, entonces el reactor no reaccionará. En la actualidad, el principal método de calentamiento es el calentamiento óhmico, que utiliza una descarga de alta frecuencia para ionizar el hidrógeno neutro y formar un plasma frío que se calienta mediante la corriente de un gran campo magnético poloidal generado a lo largo de la bobina toroidal. Aunque se mencionó anteriormente que el plasma tiene una conductividad casi perfecta, también tiene cierta resistencia y aún se generará calor cuando la corriente lo atraviese. Sin embargo, la resistividad del plasma cae bruscamente a medida que aumenta la temperatura de los electrones, lo que hace que la densidad de potencia del calentamiento óhmico también caiga bruscamente, lo que limita el uso del calentamiento óhmico.
Otro método es el método de calentamiento por inyección de haz de partículas neutras de alta energía, que es un método de calentamiento utilizado principalmente en tokamak. El haz de partículas neutras utilizado para calentar plasma es generalmente un haz de átomos de neón neutro de alta energía. Las partículas neutras de alta energía no se ven afectadas por el campo magnético del dispositivo de fusión y pueden inyectarse directamente en la zona central del plasma. Una vez que los átomos neutros ingresan al plasma, se ionizan inmediatamente en iones mediante el proceso de intercambio de carga y colisión. Estos iones de alta energía son capturados por el campo magnético y luego pasan por una colisión de Coulomb con el plasma original. Se le da energía al plasma para lograr el propósito de calentar.
Sin embargo, la eficacia del haz de iones de alta energía en la fuente de iones para capturar electrones y convertirlos en haces de partículas neutras en la cámara de gas neutralizado disminuye drásticamente a medida que aumenta la energía de las partículas. Si se extrae un haz de iones negativos de la fuente de iones, la eficiencia de convertir iones negativos en partículas neutras no disminuye significativamente a medida que aumenta la energía. Esto se debe a que es mucho más fácil separar el exceso de electrones de los iones negativos, por lo que se requiere una fuente de iones negativos de alta potencia.
Además, una limitación importante de la eficiencia de calentamiento del haz neutro es la presencia de impurezas de carbono y oxígeno debido a la absorción de gas por la pared del serpentín. La concentración de carbono y oxígeno puede alcanzar el 1%. El intercambio de carga entre el haz neutro y estas impurezas produce iones de carbono e iones de oxígeno altamente excitados, que pierden energía debido a su radiación lineal, lo que resulta en una disminución repentina de la eficiencia de calentamiento.
Así como hay que atravesar ochenta y una dificultades para aprender de la experiencia, a pesar de las dificultades en el camino hacia la fusión controlable, la industria nuclear de mi país ya ha logrado importantes resultados de investigación en muchos campos desde 1980. Debido a las ventajas antes mencionadas del tokamak, la comunidad china de investigación de la fusión ha estado prestando atención al plasma tokamak durante décadas. Desde 1980 hasta mediados de la década de 1990, se desarrollaron dispositivos tokamak de tamaño pequeño y mediano como el HT-6B, HT-6M, HL- y HL-1M.
En 1994 y 2002, basándose en equipos proporcionados por Rusia (T-7 Tokamak) y Alemania (ASDEX Tokamak), mi país construyó HT-7 y HL-2A en el Instituto Asiático de Física Científica y SWIP respectivamente, convirtiendo a China en el cuarto país capaz de desarrollar tokamak superconductor. Precisamente por esto, China construyó el primer Tokamak-EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST) del mundo. EAST es el primer tokamak totalmente superconductor del mundo con desviadores superiores e inferiores. Está diseñado para funcionar en modo de pulso largo, estado estable y de alta restricción, y ha logrado 101 segundos de descarga en modo de alta restricción. EAST se está convirtiendo en uno de los dispositivos tokamak clave del mundo y puede proporcionar escenarios de operación de pulso largo y alto rendimiento para equipos futuros (incluidos ITER y CFETR).
En lo que respecta a la empresa china de fusión por confinamiento magnético, EAST es sólo el primer paso. A continuación, nuestro país implementará el modo de pulso largo de alta restricción y el funcionamiento en estado estable de la calefacción moderna y el control y diagnóstico de corriente; A través de HL-2M, estudiaremos la física del plasma de alto rendimiento con una alta potencia de calentamiento auxiliar. El siguiente paso es desarrollar tecnologías clave relacionadas con ITER y CFETR (Reactor de prueba de ingeniería de fusión de China). "No todos los vagabundos se han perdido". Los cuatro maestros y discípulos de Tang Monk tenían pautas claras y finalmente llegaron al Templo Leiyin para obtener la verdadera escritura.
Se espera que la construcción del CFETR esté terminada en la década de 2030. El plan operativo de la CFETR se divide en dos fases. El objetivo de la primera fase es alcanzar una potencia de fusión de 100-200MW. Esta fase explorará operaciones en estado estacionario y la autosuficiencia de tritio como complemento a las operaciones ITERQ=10. Q=10 es uno de los objetivos del ITER, lo que significa producir diez veces el retorno de energía en el plasma.
Está previsto que la segunda fase esté terminada en la década de 2040. En ese momento también se demostrará el Tokamak CFETR con una potencia de fusión de 1GW. Está previsto construir el prototipo de planta de energía de fusión (PFPP) alrededor de 2060, que es el paso final en la hoja de ruta de fusión por confinamiento magnético de China para establecer una planta de energía de fusión comercial. Desde la perspectiva actual, faltan menos de 40 años para 2060 y todavía queda una larga espera. Pero en el campo de la fusión controlable, la industria de fusión por confinamiento magnético de China se está desarrollando rápidamente.
Sede de desarrollo de energía nuclear de Asia
Desde la perspectiva de la generación de energía por fisión nuclear, actualmente hay 9.242 empresas importantes en la industria de la energía nuclear de China. El número de empresas registradas en 2021 es 2.327 y en 2022 se registraron 1.675 empresas de energía nuclear. Esto también demuestra que la industria de la energía nuclear de mi país se ha desarrollado muy rápidamente en los últimos dos años. Cabe señalar que la generación de energía nuclear de mi país solo representa el 5% de la generación total de energía, mientras que en otros países desarrollados como Rusia y el Reino Unido, su generación de energía nuclear representa el 19,6% y el 14,2% de la generación total de energía, respectivamente. Es cierto que nuestro país ha logrado muchos avances importantes en el campo de la fusión controlable, pero si queremos lograr una sociedad de energía limpia verdaderamente baja en carbono y con bajas emisiones, la comercialización de la conexión a la red de energía nuclear también es un vínculo que no se puede ignorar.
El uso de plantas de energía de fusión podría reducir significativamente el impacto ambiental del aumento de la demanda mundial de electricidad porque, al igual que la generación de energía por fisión nuclear, no causan lluvia ácida ni efecto invernadero. Dada la fácil disponibilidad del combustible, la energía de fusión puede satisfacer fácilmente las necesidades energéticas asociadas con el crecimiento económico continuo. No hay peligro de que la reacción de fusión se salga de control. Después de todo, una vez que la reacción se salga de control, no pasará nada. Aunque la fusión no produce productos radiactivos de larga duración y los gases no quemados pueden eliminarse in situ, seguirán existiendo problemas de residuos radiactivos a corto y medio plazo debido a la activación de materiales estructurales. Debido al bombardeo de neutrones de alta energía, algunos materiales constituyentes se vuelven radiactivos durante la vida útil del reactor y eventualmente se convierten en desechos radiactivos. Obviamente, este también es un aspecto importante que debe tenerse en cuenta en la comercialización de la generación de energía de fusión nuclear.
El PFPP será el primer paso en la comercialización de la fusión nuclear en China. Después de "Gyres-3" estarán "Gyres-4" y "Gyres-5". Cada equipo generará algunos avances y, en última instancia, hará realidad la situación en la que la energía limpia de fusión nuclear de mi país puede reemplazar la energía tradicional de carbono no renovable.