Por qué la promesa de la fusión nuclear ya no es una quimera

Suena como el material de los sueños: una fuente de energía prácticamente ilimitada que no produce gases de efecto invernadero ni desechos radiactivos. Esa es la promesa de la fusión nuclear, que durante décadas no ha sido más que una fantasía debido a desafíos técnicos insuperables. Pero las cosas se están calentando en lo que se ha convertido en una carrera para crear lo que equivale a un sol artificial aquí en la Tierra, uno que pueda proporcionar energía para nuestras teteras, automóviles y bombillas.

Las plantas de energía nuclear de hoy crean electricidad a través de la fisión nuclear, en la que se dividen los átomos. Sin embargo, la fusión nuclear implica la combinación de núcleos atómicos para liberar energía. Es la misma reacción que tiene lugar en el núcleo del Sol. Pero superar la repulsión natural entre los núcleos atómicos y mantener las condiciones adecuadas para que se produzca la fusión no es sencillo. Y hacerlo de una manera que produzca más energía de la que consume la reacción ha estado más allá del alcance de las mentes más brillantes en física durante décadas.

Pero tal vez no por mucho más tiempo. En los últimos años se han superado algunos desafíos técnicos importantes y los gobiernos de todo el mundo han estado invirtiendo dinero en la investigación de la energía de fusión. También hay más de 20 empresas privadas en el Reino Unido, EE. UU., Europa, China y Australia que compiten por ser las primeras en hacer realidad la producción de energía de fusión.

“La gente dice: ‘Si realmente es la solución definitiva, averigüemos si funciona o no'”, dice el Dr. Tim Luce, jefe de ciencia y operación del Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER), que se está construyendo en el sureste de Francia. . ITER es el mayor lanzamiento de los dados de fusión hasta el momento.

Su costo de construcción de $ 22 mil millones (£ 15,9 mil millones) está siendo cubierto por los gobiernos de dos tercios de la población mundial, incluidos la UE, los EE. UU., China y Rusia, y cuando se ponga en marcha en 2025, será el más grande del mundo. reactor de fusión. Si funciona, ITER transformará la energía de fusión de ser un sueño en una fuente de energía viable.

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Construcción de un reactor de fusión nuclear

ITER será un reactor tokamak, considerado la mejor esperanza para la energía de fusión. Dentro de un tokamak, un gas, a menudo un isótopo de hidrógeno llamado deuterio, está sujeto a calor y presión intensos, lo que obliga a los electrones a salir de los átomos. Esto crea un plasma, un gas ionizado sobrecalentado, que debe ser contenido por campos magnéticos intensos.

La contención es vital, ya que ningún material en la Tierra podría soportar el intenso calor (100.000.000°C y más) que el plasma tiene que alcanzar para que pueda comenzar la fusión. Es cerca de 10 veces el calor en el núcleo del Sol, y se necesitan temperaturas como esa en un tokamak porque la presión gravitacional dentro del Sol no se puede recrear.

Cuando los núcleos atómicos comienzan a fusionarse, se liberan grandes cantidades de energía. Mientras que los reactores experimentales actualmente en funcionamiento liberan esa energía en forma de calor, en una planta de energía de reactor de fusión, el calor se usaría para producir vapor que impulsaría turbinas para generar electricidad.

Los tokamaks no son los únicos reactores de fusión que se están probando. Otro tipo de reactor utiliza láseres para calentar y comprimir un combustible de hidrógeno para iniciar la fusión. En agosto de 2021, uno de esos dispositivos en la Instalación Nacional de Ignición, en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, generó 1,35 megajulios de energía. Esta cifra récord lleva la energía de fusión un paso más cerca de la ganancia neta de energía, pero la mayoría de las esperanzas aún están puestas en los reactores tokamak en lugar de los láseres.

En junio de 2021, el reactor Tokamak superconductor avanzado experimental (EAST) de China mantuvo un plasma durante 101 segundos a 120 000 000 °C. Antes de eso, el récord era de 20 segundos. En última instancia, un reactor de fusión necesitaría mantener el plasma indefinidamente, o al menos durante ‘pulsos’ de ocho horas durante los períodos de máxima demanda de electricidad.

Un verdadero cambio de juego para los tokamaks han sido los imanes utilizados para producir el campo magnético. “Sabemos cómo hacer imanes que generan un campo magnético muy alto a partir de cobre u otros tipos de metales, pero pagarías una fortuna por la electricidad. No sería una ganancia neta de energía de la planta”, dice Luce.

La solución es usar imanes superconductores de alta temperatura hechos de alambre superconductor, o ‘cinta’, que no tiene resistencia eléctrica. Estos imanes pueden crear campos magnéticos intensos y no pierden energía en forma de calor.

“La superconductividad a alta temperatura se conoce desde hace 35 años. Pero la capacidad de fabricación para hacer cinta en las longitudes que se necesitarían para hacer una bobina de fusión razonable se ha desarrollado recientemente”, dice Luce. Uno de los imanes de ITER, el solenoide central, producirá un campo de 13 teslas, 280 000 veces el campo magnético terrestre.

Las paredes internas del recipiente de vacío de ITER, donde ocurrirá la fusión, estarán revestidas con berilio, un metal que no contaminará mucho el plasma si se tocan. En la parte inferior se encuentra el desviador que mantendrá bajo control la temperatura en el interior del reactor.

“La carga de calor en el desviador puede ser tan grande como en la tobera de un cohete”, dice Luce. “Las boquillas de los cohetes funcionan porque puedes entrar en órbita en cuestión de minutos y en el espacio hace mucho frío”. En un reactor de fusión, un desviador tendría que soportar este calor indefinidamente y en ITER probarán uno hecho de tungsteno.

Mientras tanto, en EE. UU., el reactor de fusión National Spherical Torus Experiment – ​​Upgrade (NSTX-U) se encenderá en otoño de 2022. Una de sus prioridades será ver si revestir el reactor con litio ayuda a mantener estable el plasma. .

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Elegir un combustible

En lugar de usar solo deuterio como combustible de fusión, ITER usará deuterio mezclado con tritio, otro isótopo de hidrógeno. La mezcla de deuterio y tritio ofrece la mejor oportunidad de obtener significativamente más energía de la que se pone. Los defensores de la energía de fusión dicen que una de las razones por las que la tecnología es segura es que el combustible debe alimentarse constantemente al reactor para que la fusión siga ocurriendo, haciendo un reacción descontrolada imposible.

El deuterio se puede extraer del agua de mar, por lo que existe un suministro prácticamente ilimitado. Pero se cree que solo existen 20 kg de tritio en todo el mundo, por lo que las plantas de energía de fusión tendrán que producirlo (ITER desarrollará tecnología para ‘criar’ tritio). Si bien se producirán algunos desechos radiactivos en una planta de fusión, tendrán una vida útil de alrededor de 100 años, en lugar de los miles de años de la fisión.

Al momento de escribir este artículo en septiembre, los investigadores del reactor de fusión Joint European Torus (JET) en Oxfordshire debían comenzar sus reacciones de fusión de deuterio-tritio. “JET ayudará a ITER a preparar una selección de parámetros de la máquina para optimizar la potencia de fusión”, dice la Dra. Joelle Mailloux, una de las líderes del programa científico de JET. Estos parámetros incluirán encontrar la mejor combinación de deuterio y tritio, y establecer cómo se aumenta la corriente en los imanes antes de que comience la fusión.

El trabajo preliminar establecido en JET debería acelerar los esfuerzos del ITER para lograr una ganancia neta de energía. ITER producirá el ‘primer plasma’ en diciembre de 2025 y se pondrá en marcha a plena potencia durante la próxima década. Su temperatura de plasma alcanzará los 150.000.000°C y su objetivo es producir 500 megavatios de potencia de fusión por cada 50 megavatios de potencia de calentamiento de entrada.

“Si ITER tiene éxito, eliminará la mayoría, si no todas, las dudas sobre la ciencia y liberará dinero para el desarrollo tecnológico”, dice Luce. Ese desarrollo tecnológico será demostración de plantas de energía de fusión que realmente produzcan electricidad. “ITER está abriendo la puerta y diciendo, sí, esto funciona, la ciencia está ahí”.

• Este artículo apareció por primera vez en el número 369 de Revista BBC Science Focus – Descubre cómo suscribirte aquí

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