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Tokamak, energía de fusión y la importancia de sus bobinas y fuentes de alimentación

31 Julio 2023

Durante el último siglo, la producción de la energía ha sido abastecida, de manera predominante, por plantas energéticas basadas en los combustibles fósiles. Sin embargo, desde hace algunos años los efectos nocivos sobre el medio ambiente de esta fuente de producción de energía han provocado el despertar de una conciencia colectiva sobre la necesidad de buscar fuentes alternativas para la generación de energía. En este proceso, son las fuentes de energía renovables como la solar o la eólica las que están liderando el cambio. Sin embargo, la dependencia de las condiciones climáticas de estas fuentes de energía dificulta alcanzar un sistema 100% renovable y aplicable en cualquier punto del planeta. Es en este punto es donde nace la necesidad de buscar una fuente de energía diferente y alternativa que funcione como sistema central que complemente y complete la producción energética de fuentes renovables. La energía de fusión nuclear emerge en este contexto como una solución prometedora que permita lograr una sociedad sostenible, sin el consumo de combustibles fósiles, emisión de gases de efecto invernadero o residuos radioactivos altamente contaminantes.

¿Qué es la energía de fusión?

La energía de fusión busca aprovechar la energía emitida durante la fusión de núcleos atómicos ligeros. Cuando dos partículas de esas características se fusionan, el núcleo resultante es un poco más ligero que los originales. La diferencia, sin embargo, no desaparece, sino que se convierte en energía. Lo verdaderamente asombroso es que esa mínima perdida de masa se traduce en una ingente cantidad de energía. Este es el motivo por el que son tantas las empresas privadas y entidades públicas lanzadas a la conquista de la energía de la fusión.

Para entender un poco más la teoría de esta fuente de energía nos tenemos que remitir a la física. Los estados de la materia son tres: sólido, líquido y gaseoso. Pero si seguimos sometiendo a un gas a temperaturas extremadamente elevadas, se convierte en plasma. En dicho estado, los electrones se separan de los átomos. Cuando un átomo carece de electrones orbitando alrededor del núcleo, se dice que está ionizado y se denomina ion. Así pues, el plasma está compuesto de iones y electrones libres. En este estado, los científicos pueden estimular los iones para que colisionen entre sí, se fusionen y liberen energía. Aquí es donde entra en juego la creación y el funcionamiento del Tokamak.

¿Qué es y cómo funciona el Tokamak?

Las investigaciones en temas de fusión nuclear avanzan rápidamente hacia la creación de una solución comercial e industrial que permita explotar las ingentes cantidades de energía producidas por esta nueva y limpia fuente de energía. Uno de los dispositivos más avanzados es el conocido como Tokamak, donde fuerte campos magnéticos crean y confinan un plasma en un recipiente en forma de donut donde la reacción de fusión se alcanza.

¿Cuál es el papel de las fuentes de alimentación en todo esto?

Las fuentes de alimentación son uno de los elementos más importantes y críticos de la creación de un Tokamak. Mantener estables los plasmas a fin de extraer energía es difícil. Son caóticos, están a una temperatura elevadísima y tienden a sufrir turbulencias y otras inestabilidades. Comprender, modelizar y controlar el plasma es sumamente complejo, pero los investigadores han logrado grandes avances gracias al uso de dispositivos de confinamiento magnético para manipular los plasmas. Los campos magnéticos están inducidos por bobinas, que necesitan ser alimentadas por formas de corriente específicas controladas por sus fuentes de alimentación.

Debido a las altas corrientes requeridas en los tokamaks, los sistemas de alimentación son una parte exigente del diseño. La mayoría de los tokamaks relevantes utilizan sistemas basados en tiristores y conectados a la red o a volantes de inercia, aunque las nuevas tendencias nos dirigen hacia fuentes de alimentación modulares y flexibles basados en supercondensadores y transistores bipolares de puerta aislada (IGBT).

Skylife, creadores de las fuentes de alimentación del Tokamak SMART de la Universidad de Sevilla

Un nuevo dispositivo Tokamak con objetivo de investigación de energía fusión, denominado SMART (SMall Aspect Ratio Tokamak, tokamak de pequeña relación de aspecto), está siendo diseñado en la Universidad de Sevilla. 

Skylife Engineering, en su apuesta por la sostenibilidad y los proyectos complejos e innovadores, participa en este proyecto con su línea de Electrónica de Potencia como responsable del diseño y la fabricación de las bobinas de campo magnético, del sistema de microondas y del sistema de fuentes de alimentación del SMART Tokamak liderado por la Universidad de Sevilla.

El sistema de bobinas está formado por 3 subsistemas, diseñados para generar y controlar el flujo de plasma en el interior de la cámara de vacío. En total se dispondrá de más de 3000 kg de cobre de alta conductividad.

El sistema de microondas de 6kW de operación a 2,45 GHz actúa como un impulsor en el proceso de la generación del plasma en el interior de la cámara de vacío.

El sistema de fuentes de alimentación consiste en 5 equipos para generar un pulso magnético en el sistema de bobinas que formarán y controlarán el flujo de plasma en la cámara de vacío. Los pulsos eléctricos serán generados por bancos de supercondensadores, con la posibilidad de ser cargados con corriente eléctrica doméstica.

El objetivo es la instalación de un tokamak esférico compacto, único en España, que sea referente mundial en el desarrollo de la fusión por confinamiento magnético.


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