La energía de fusión tiene el potencial de ser una fuente de energía limpia eficaz, ya que sus reacciones generan cantidades increíblemente grandes de energía. Los reactores de fusión pretenden reproducir en la Tierra lo que sucede en el núcleo del soldonde elementos muy ligeros se fusionan y liberan energía en el proceso. Los ingenieros pueden aprovechar esta energía para calentar agua y generar electricidad a través de una turbina de vapor, pero el camino hacia la fusión no es del todo sencillo.
La fusión nuclear controlada ha varias ventajas sobre otras fuentes de energía para generar electricidad. Por un lado, la reacción de fusión en sí no produce dióxido de carbono. No hay riesgo de fusión y la reacción no genera residuos radiactivos de larga duración.
soy un ingeniero nuclear que estudia materiales que los científicos podrían utilizar en reactores de fusión. La fusión tiene lugar a temperaturas increíblemente altas. Así que, para que algún día la fusión sea una fuente de energía factible, será necesario construir reactores con Materiales que pueden sobrevivir al calor y la irradiación. generado por reacciones de fusión.
Desafíos de los materiales de fusión
Varios tipos de elementos pueden fusionarse durante una reacción de fusión. El que prefieren la mayoría de los científicos es deuterio más tritio. Estos dos elementos tienen la mayor probabilidad de fusionarse a temperaturas que un reactor puede mantener. Esta reacción genera un átomo de helio y un neutrón, que transporta la mayor parte de la energía de la reacción.
Los humanos han generado con éxito reacciones de fusión en la Tierra desde 1952 —algunos incluso en su cochera. Pero el truco ahora es hacer que valga la pena. Necesita sacar más energía del proceso de la que invirtió para iniciar la reacción.
Reacciones de fusión suceder en un plasma muy calienteque es un estado de la materia similar al gas pero formado por partículas cargadas. El plasma debe permanecer extremadamente caliente (más de 100 millones de grados Celsius) y condensado durante la reacción.
Para mantener el plasma caliente y condensado y crear una reacción que pueda continuar, se necesitan materiales especiales para formar las paredes del reactor. También necesita una fuente de combustible barata y confiable.
Mientras que el deuterio es muy común y se obtiene del agua, el tritio es muy raro. Se espera que un reactor de fusión de 1 gigavatio queme 56 kilogramos de tritio al año. Sin embargo, el mundo sólo tiene alrededor 25 kilogramos de tritio disponible comercialmente.
Los investigadores necesitan encontrar fuentes alternativas de tritio antes de que la energía de fusión pueda despegar. Una opción es que cada reactor genere su propio tritio a través de un sistema llamado manta de cría.
La manta de cría constituye la primera capa del cámara de plasma paredes y contiene litio que reacciona con los neutrones generados en la reacción de fusión para producir tritio. La manta también convierte la energía transportada por estos neutrones en calor.
La cámara de reacción de fusión del ITER electrificará el plasma.
Dispositivos de fusión También necesito un desviador.que extrae el calor y las cenizas producidas en la reacción. El desviador ayuda a mantener las reacciones durante más tiempo.
Estos materiales estarán expuestos a niveles sin precedentes de calor y bombardeo de partículas. Y actualmente no existen instalaciones experimentales para reproducir estas condiciones y probar materiales en un escenario del mundo real. Entonces, el objetivo de mi investigación es cerrar esta brecha utilizando modelos y simulaciones por computadora.
Del átomo al dispositivo completo
Mis colegas y yo trabajamos en la producción de herramientas que puedan predecir cómo se erosionan los materiales en un reactor de fusión y cómo cambian sus propiedades cuando se exponen a calor extremo y mucha radiación de partículas.
A medida que se irradian, se pueden formar y crecer defectos en estos materiales, lo que afecta su forma de reaccionar al calor y al estrés. En el futuro, esperamos que las agencias gubernamentales y las empresas privadas puedan utilizar estas herramientas para diseñar plantas de energía de fusión.
Nuestro enfoque, llamado modelado multiescalaconsiste en observar la física de estos materiales en diferentes escalas de tiempo y longitud con una variedad de modelos computacionales.
Primero estudiamos los fenómenos que ocurren en estos materiales a escala atómica mediante simulaciones precisas pero costosas. Por ejemplo, una simulación podría examinar cómo se mueve el hidrógeno dentro de un material durante la irradiación.
A partir de estas simulaciones, observamos propiedades como la difusividadque nos dice cuánto puede esparcirse el hidrógeno por todo el material.
Podemos integrar la información de estas simulaciones a nivel atómico en simulaciones menos costosas, que analizan cómo reaccionan los materiales a mayor escala. Estas simulaciones a mayor escala son menos costosas porque modelan los materiales como un continuo en lugar de considerar cada átomo.
Las simulaciones a escala atómica podrían tardar semanas en ejecutarse en un supercomputadoramientras que el continuo tardará sólo unas pocas horas.
Todo este trabajo de modelado que se realiza en ordenadores se compara luego con los resultados experimentales obtenidos en los laboratorios.
Por ejemplo, si un lado del material tiene gas hidrógeno, queremos saber ¿Cuánto hidrógeno se escapa al otro lado del material?. Si el modelo y los resultados experimentales coinciden, podemos confiar en el modelo y utilizarlo para predecir el comportamiento del mismo material en las condiciones que esperaríamos en un dispositivo de fusión.
Si no coinciden, volvemos a las simulaciones a escala atómica para investigar lo que nos perdimos.
Además, podemos acoplar el modelo de material a mayor escala a los modelos de plasma. Estos modelos pueden decirnos qué partes de un reactor de fusión serán las más calientes o sufrirán el mayor bombardeo de partículas. A partir de ahí, podemos evaluar más escenarios.
Por ejemplo, si se escapa demasiado hidrógeno a través del material durante el funcionamiento del reactor de fusión, podríamos recomendar hacer el material más grueso en ciertos lugares o agregar algo para atrapar el hidrógeno.
Diseñando nuevos materiales.
A medida que continúa la búsqueda de energía de fusión comercial, los científicos necesitarán diseñar materiales más resistentes. El campo de posibilidades es enorme: los ingenieros pueden fabricar múltiples elementos juntos de muchas maneras.
Podrías combinar dos elementos para crear un nuevo material, pero ¿cómo saber cuál es la proporción adecuada para cada elemento? ¿Y si quieres probar a mezclar? cinco o más elementos juntos? Llevaría demasiado tiempo intentar ejecutar nuestras simulaciones para todas estas posibilidades.
Agradecidamente, inteligencia artificial está aquí para ayudar. Combinando resultados experimentales y de simulación, IA analítica Podemos recomendar combinaciones que tengan más probabilidades de tener las propiedades que buscamos, como resistencia al calor y al estrés.
El objetivo es reducir la cantidad de materiales que un ingeniero tendría que producir y probar experimentalmente para ahorrar tiempo y dinero.
Este artículo fue publicado originalmente en La conversación por Sophie Blondel en la Universidad de Tennessee. Lea el artículo original aquí.
