El desafío del helio de fusión: diseño de una infraestructura para energizar el futuro

La energía de fusión ——que suele calificarse como el “santo grial” de la energía limpia—— pretende replicar en la Tierra los procesos que tienen lugar en el núcleo del Sol’. Sin embargo, a diferencia del Sol, donde el trabajo lo hace la inmensa presión gravitatoria, la fusión terrestre debe alcanzar temperaturas superiores a los 100 millones de grados Celsius para iniciar y mantener la reacción. Aquí es donde entra en escena la ingeniería—, no solo para resolver los problemas, sino para innovar en favor de la seguridad energética global.

Por qué es importante el helio

El helio desempeña un doble papel en los sistemas de fusión: es un subproducto y un componente esencial. En el interior del plasma, el helio es una especie de ceniza residual generada por la fusión de isótopos de hidrógeno. Si no se extrae con cuidado, dificulta las reacciones posteriores.

Sin embargo, fuera del plasma, el helio se hace indispensable. Su alta capacidad térmica y su naturaleza química inerte lo convierten en un gas ideal para enfriar las paredes expuestas a las altas temperaturas del plasma, mientras que su comportamiento a baja temperatura favorece el enfriamiento de los imanes superconductores criogénicos. En este contexto, nos centraremos en su uso como refrigerante de alta temperatura en sistemas de fusión de confinamiento magnético tipo tokamak o stellarator.

Sin embargo, el helio dista mucho de ser abundante. La demanda sigue al alza en todos los sectores—, desde los reactores de fisión de alta temperatura hasta la fabricación de semiconductores y la imagenología médica—, pero la oferta sigue limitada por factores geológicos y procesos de refinamiento complejos. Mientras los precios suben, el helio se va convirtiendo en un recurso estratégico.

Diseño con los límites en mente

Una vez seleccionado el helio como refrigerante, el sistema de enfriamiento suele pasar a segundo plano en las fases tempranas del diseño de la fusión por su carácter convencional, opacado por componentes más novedosos o costosos. Sin embargo, subestimar la importancia y la complejidad del helio’ derivará en un sistema de refrigeración ineficaz y sobrecargado. El helio tiene gran potencial, pero solo lo alcanza mediante un enfoque de ingeniería deliberado, integrado e iterativo. Cuando se diseñan con colaboración de expertos, estos sistemas de refrigeración pueden mantener su simplicidad y eficacia.

Un error común en los primeros diseños es el uso de un sistema básico de tanques de alta a baja presión en cascada. Aunque simples en su concepto, estas configuraciones producen parámetros de termofluido altamente variables, con ciclos continuos de expansión y compresión que afectan al rendimiento de los sistemas.

Aunque tolerable en el laboratorio o incluso a escala piloto, este enfoque suele fallar al ampliarse a sistemas comerciales de mayor tamaño—, ya que genera ineficiencias, inventarios de helio abultados y un alza significativa de costos.

Un diseño en estado estacionario, respaldado por modelos detallados de dinámica de fluidos no ideales, suele ser una mejor alternativa. Aunque la baja densidad y la alta velocidad del helio’ generan complejos efectos de compresibilidad que invalidan los modelos simplificados, la inversión puede resultar rentable. Cuando estos sistemas de refrigeración por helio se integran en una fase temprana del proceso, pueden facilitar el diseño de los componentes magnéticos y expuestos al plasma, lo que permite una progresión más ágil, costos más bajos y/o mejoras de rendimiento en todas las fases del diseño y los programas de pruebas.

El limitado espacio entre extremos

Al actualizar grandes proyectos de fusión, el espacio físico se convierte inevitablemente en una de las principales limitaciones, ya que se relaciona directamente con el costo de la inversión.

Esto queda en evidencia en el diseño de los sistemas de refrigeración por helio. Estos deben funcionar en el estrecho corredor entre el plasma supercalentado y los imanes refrigerados criogénicamente. Las tuberías más grandes aumentan la eficiencia del sistema de helio, pero la mayor separación perjudica a los sistemas de imanes, que son más costosos.

Como consecuencia, las líneas de refrigerante deben mantenerse inevitablemente pequeñas y conducirse a través de espacios con medidas milimétricas, donde no caben las válvulas’ y el flujo debe gestionarse de forma pasiva.

Por consiguiente, se requiere un mapeo térmico preciso del plasma y una simulación termofluídica detallada del sistema de helio. Esto minimiza la demanda de compresores y mitiga los daños en las superficies expuestas al plasma que, de otro modo, requerirían prolongadas reparaciones.

La caída de presión en las tuberías también sigue siendo un factor crítico. Dado que las pérdidas aumentan proporcionalmente al cuadrado de la velocidad del gas, las tuberías estrechas incrementan rápidamente el tamaño y la potencia requeridos por el componente más costoso del sistema’, el compresor. Los diseños alternativos, como los tramos de tubería más cortos con más conexiones de cabecera, pueden introducir riesgos para la integridad del vacío.

Del diseño a la ejecución: Hacia dónde ’se dirige la industria

El mundo necesita energía limpia y confiable— y la fusión es extraordinariamente prometedora. Pero incluso los diseños más elegantes sobre el papel ’poco importan si no es posible construirlos.

La planificación de la construcción es tan importante como el diseño mismo. Para minimizar las fugas de helio —que pueden presentar riesgos de seguridad o inutilizar los sistemas de vacío y los imanes de los dispositivos de fusión—, las tuberías deben ser continuas y contar idealmente con juntas soldadas en toda su extensión. Pero las limitaciones de espacio suelen impedir la soldadura manual o robotizada en el campo, pese ser necesaria considerando los kilómetros de tuberías y los miles de conexiones.

La solución está en la construcción modular. Utilizando métodos de transporte estándares, se pueden suministrar unidades preensambladas para integrarlas in situ con precisión. Como uno de los diferenciadores de Hatch’, esta técnica básica combina un diseño riguroso, experiencia multidisciplinaria y una honestidad decidida sobre lo que va a funcionar y cómo vamos a conseguirlo.

Diseñar sistemas de helio eficaces puede ser solo una pieza del rompecabezas de la fusión, pero ’refleja la gran complejidad e ingenio necesarios para hacer viable la energía de fusión sostenible. La energía limpia es un imperativo. Donde más destacamos es donde se encuentran la física con la ingeniería, la teoría con la construcción, y la ambición con la ejecución. Nuestros ingenieros buscan resolver los retos más difíciles y construir soluciones prácticas— de forma segura, sostenible y a escala.

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Estamos’ listos para hacer esto, juntos.

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