Alternatives to tokamaks: a faster-better-cheaper route to fusion energy?

Abstract

The use of thermonuclear fusion as a source for energy generation has been a goal of plasma physics for more than six decades. Its advantages are many: easy access to fuel and virtually unlimited supply; no production of greenhouse gases; and little radioactive waste produced. But heating fuel to the high temperature necessary for fusion—at least 100 million degrees Celsius—and containing it at that level has proved to be a difficult challenge. The ring-shaped magnetic confinement of tokamaks, which emerged in the 1960s, was quickly identified as the most promising approach and remains so today although a practical commercial reactor remains decades away. While tokamaks have rightly won most fusion research funding, other approaches have also been pursued at a lower level. Some, such as inertial confinement fusion, have emerged from nuclear weapons programs and others from academic efforts. A few have been spun out into start-up companies funded by venture capital and wealthy individuals. Although alternative approaches are less well studied, their proponents argue that they could provide a smaller, cheaper, and faster route to fusion energy production. This article will survey some of the current efforts and where they stand. This article is part of a discussion meeting issue ‘Fusion energy using tokamaks: can development be accelerated?’.

Enhanced Fusion Mechanisms Towards Synthesizing Superheavy Elements

“…Although the setups are conceived for light elements, the purpose is to review the foundational ideas as cornerstones for the type energies required to the proposed theoretical fusion. Recently in [10], it has been pointed out that alternatives to the current fusion approaches are leading in the direction of inertial confinement fusion. The current techniques are based on the Tokamaks, a technology created with the sole purpose of generating heat excess.…”

Can the development of fusion energy be accelerated? An introduction to the proceedings

“…The first paper is by Dan Clery [27], whose brief was to tell us of the non-tokamak ways to fusion power, excluding the stellarator-a relative of the tokamak. It is a characteristic of new technologies that they involve risk.…”

Especies ligeras en materiales de interés para aplicaciones energéticas

“…Los problemas previamente mencionados surgen intrínsecamente de los procesos que tienen lugar en el interior del reactor de fusión: el combustible se calienta hasta ser ionizado, formando un plasma que ha de ser confinado para que, en su seno, se produzcan una serie de colisiones entre los iones que superen las fuerzas repulsivas y alcancen la fusión nuclear. Esta reacción produce una cantidad de energía muy superior a la empleada para desencadenarla, que puede ser aprovechada para la generación de electricidad [1,7]. Sin embargo, para que todo este proceso se desarrolle de forma autosuficiente y liberando energía en exceso y, por tanto, aprovechable, deben cumplirse una serie de condiciones, gobernadas por los siguientes parámetros: la temperatura (T), el número de iones presentes en el plasma por unidad de volumen (n), y el tiempo de confinamiento, una magnitud que indica cómo se encuentra confinada la energía en el plasma (τE).…”

“…Para alcanzar el valor estimado por el producto triple, la alta temperatura es requisito indispensable, pero al menos uno de los otros parámetros (si no ambos) debe también tomar un valor elevado [1,[6][7][8]. Dos de los principales esquemas en desarrollo que tienen por objetivo alcanzar el valor deseado del punto triple y, por tanto, la fusión nuclear, se centran en los extremos de este criterio: maximizar el tiempo de confinamiento o maximizar la densidad de iones.…”

“…Se investiga en instalaciones como JET (Joint European Torus) o en los principales proyectos de colaboración internacional ITER y DEMO (International Thermonuclear Experimental Reactor, y Demonstration Power Station, respectivamente). La otra configuración más estudiada MCF es el Stellarator, destacando el construido por el Max-Plank-Institut für Plasmaphysik en Alemania [1,2,[6][7][8]. En la fusión nuclear por confinamiento inercial (ICF) el objetivo es maximizar la densidad de iones en el plasma, empleándose para ello una cápsula de combustible, típicamente de entre 1 y 5 mm de diámetro, sobre la que un láser de alta potencia deposita suficiente energía (de forma directa o indirecta) para calentar la superficie externa (ablator), causando la implosión del combustible por compresión, alcanzando densidades hasta 100 veces superiores a la inicial.…”