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Jul 29, 2023

¿Cuál es el futuro de la energía de fusión?

La fusión nuclear no llegará a tiempo para solucionar el cambio climático, pero podría serlo

La fusión nuclear no llegará a tiempo para solucionar el cambio climático, pero podría ser esencial para nuestras futuras necesidades energéticas

En diciembre pasado, los físicos que trabajaban en la fusión afirmaron un gran avance. Un equipo de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) en California anunció que había extraído más energía de una reacción de fusión nuclear controlada que la que se había utilizado para desencadenarla. Fue una primicia mundial y un paso significativo para la física, pero muy lejos de permitir la explotación práctica de la fusión como fuente de energía. El anuncio de alto perfil provocó un patrón familiar de respuestas a la investigación de la fusión: elogios de los impulsores de la tecnología y despidos de los escépticos, que se quejan de que los científicos prometen continuamente que la fusión está a solo 20 años (o 30 o 50, elija).

Estas reacciones fervientes reflejan lo mucho que está en juego para la fusión. El mundo está cada vez más desesperado por una fuente abundante de energía limpia que pueda mitigar la crisis climática creada por la quema de combustibles fósiles. La fusión nuclear, la fusión de núcleos atómicos ligeros, tiene el potencial de producir energía con emisiones de carbono cercanas a cero, sin crear los peligrosos desechos radiactivos asociados con los reactores de fisión nuclear actuales, que dividen los núcleos muy pesados ​​de elementos radiactivos. Los físicos han estado estudiando la energía de fusión desde la década de 1950, pero convertirla en una fuente de energía práctica sigue siendo frustrantemente difícil de alcanzar. ¿Será alguna vez una fuente importante de energía para nuestro planeta hambriento de energía y, de ser así, llegará a tiempo para salvar a la Tierra del colapso?

Esta última pregunta es una de las pocas en este campo para las que existe una respuesta clara. La mayoría de los expertos están de acuerdo en que es poco probable que podamos generar energía a gran escala a partir de la fusión nuclear antes de 2050 (los cautelosos podrían agregar otra década). Dado que el aumento de la temperatura global durante el siglo actual puede estar determinado en gran medida por lo que hagamos, o dejemos de hacer, con respecto a las emisiones de carbono antes de esa fecha, la fusión no puede ser un salvador. (La columnista del Observatorio Naomi Oreskes también destaca este punto aquí). "Creo que la fusión parece mucho más plausible ahora que hace 10 años como fuente de energía futura", dice Omar Hurricane, líder del programa en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, donde se aloja el NIF. "Pero no será viable en los próximos 10 a 20 años, por lo que necesitamos otras soluciones".

Por lo tanto, la descarbonización para mediados de siglo dependerá de otras tecnologías: energías renovables como la solar y la eólica; Fisión nuclear; y quizás técnicas de captura de carbono. Sin embargo, si miramos más allá, hay buenas razones para pensar que la fusión será una parte clave de la economía energética en la segunda mitad del siglo, cuando más países en desarrollo comenzarán a requerir presupuestos energéticos del tamaño de los occidentales. Y resolver el problema del cambio climático no es un asunto de una sola vez. Si podemos sortear el cuello de botella de las próximas décadas sin transformar el clima de manera demasiado radical, el camino más allá puede ser más fácil.

La fusión nuclear fue reconocida como una fuente potencial de energía casi tan pronto como lo fue la fisión. En una reunión informativa del Proyecto Manhattan a fines de 1945, el físico italiano Enrico Fermi, quien dirigió el proyecto para construir el primer reactor de fisión en Chicago durante la Segunda Guerra Mundial, imaginó reactores de fusión para la generación de energía. Los científicos descubrieron cómo liberar la energía de fusión unos años más tarde, pero solo en las explosiones descontroladas de bombas de hidrógeno similares a las del Armagedón. Una vez que aprendamos cómo llevar a cabo el proceso de manera controlada y sostenida, predijeron algunos científicos, la electricidad sería "demasiado barata para medirla".

Pero los desafíos resultaron ser mucho mayores de lo esperado. "Es superdifícil", dice Hurricane. "Básicamente estamos haciendo estrellas en la Tierra". La fusión de dos átomos de hidrógeno para formar helio es el proceso principal que alimenta al sol y otras estrellas. Cuando estos núcleos atómicos ligeros se combinan, liberan una inmensa cantidad de energía. Pero debido a que estos núcleos tienen cargas eléctricas positivas, se repelen entre sí y se necesitan presiones y temperaturas tremendas para superar esa barrera electrostática y lograr que se fusionen. Si los científicos pueden contener el combustible para la fusión, una mezcla de plasma de deuterio y tritio, dos isótopos pesados ​​de hidrógeno, la energía liberada en la reacción puede hacer que sea autosuficiente. Pero, ¿cómo se embotella un plasma a una temperatura de alrededor de 100 millones de Kelvin, varias veces más caliente que el centro del sol?

Ningún material conocido puede soportar condiciones tan extremas; derretirían incluso metales extremadamente resistentes al calor como el tungsteno en un instante. La respuesta favorecida durante mucho tiempo para el diseño de reactores es el confinamiento magnético: mantener el plasma cargado eléctricamente en una "botella magnética" formada por fuertes campos magnéticos para que nunca toque las paredes de la cámara de fusión. El diseño más popular, llamado tokamak y propuesto en la década de 1950 por científicos soviéticos, utiliza un recipiente toroidal (o en forma de rosquilla).

El proceso requiere un control exquisito. El plasma furiosamente caliente no se queda quieto: tiende a desarrollar grandes gradientes de temperatura, que generan fuertes corrientes de convección que hacen que el plasma sea turbulento y difícil de manejar. Tales inestabilidades, similares a las erupciones solares en miniatura, pueden hacer que el plasma entre en contacto con las paredes y las dañe. Otras inestabilidades del plasma pueden producir haces de electrones de alta energía que perforan agujeros en el revestimiento de la cámara de reacción. Suprimir o gestionar estas fluctuaciones ha sido uno de los desafíos clave para los diseñadores de tokamak. "El gran éxito de los últimos 10 años ha sido la comprensión de esta turbulencia en detalle cuantitativo", dice Steven Cowley, director del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton.

Uno de los mayores obstáculos para la fusión por confinamiento magnético es la necesidad de materiales que puedan soportar el duro tratamiento que recibirán del plasma de fusión. En particular, la fusión deuterio-tritio crea un flujo intenso de neutrones de alta energía, que chocan con los núcleos de los átomos en las paredes metálicas y el revestimiento, provocando pequeños puntos de fusión. Luego, el metal se recristaliza, pero se debilita, y los átomos se desplazan de sus posiciones iniciales. En el revestimiento de un reactor de fusión típico, cada átomo podría desplazarse unas 100 veces durante la vida útil del reactor.

Las consecuencias de un bombardeo de neutrones tan intenso no se comprenden bien, porque la fusión nunca se ha sostenido durante los largos períodos que se requerirían en un reactor en funcionamiento. "No sabemos ni sabremos sobre la degradación de los materiales y la vida útil hasta que hayamos operado una planta de energía", dice Ian Chapman, director ejecutivo de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA), la organización de energía nuclear del gobierno británico. Sin embargo, se pueden obtener conocimientos importantes sobre estos problemas de degradación a partir de un experimento simple que genera haces de neutrones intensos que se pueden usar para probar materiales. Tal instalación, un proyecto basado en un acelerador de partículas llamado Instalación Internacional de Irradiación de Materiales de Fusión, Fuente de Neutrones Orientada a Demostraciones, debería comenzar a operar en Granada, España, a principios de la década de 2030. Se ha propuesto una instalación estadounidense similar llamada Fusion Prototypic Neutron Source, pero aún no cuenta con la aprobación.

Todavía no hay garantía de que estos problemas materiales puedan resolverse. Si resultan insuperables, una alternativa es hacer las paredes del reactor de metal líquido, que no puede dañarse por fusión y recristalización. Pero eso, dice Cowley, trae un conjunto completo de otras preocupaciones técnicas.

Otro desafío importante es fabricar el combustible de fusión. El mundo tiene abundante deuterio: este isótopo constituye el 0,016 por ciento del hidrógeno natural, por lo que los mares están literalmente inundados de él. Pero el tritio se forma solo en pequeñas cantidades de forma natural y se desintegra radiactivamente con una vida media de solo 12 años, por lo que desaparece constantemente y debe producirse de nuevo. En principio, se puede "criar" a partir de reacciones de fusión porque los neutrones de fusión reaccionarán con el litio para formarlo. La mayoría de los diseños de reactores incorporan este proceso de reproducción al rodear la cámara del reactor con una capa de litio. De todos modos, la tecnología no está probada a gran escala, y nadie sabe realmente si funcionará o qué tan bien funcionará la producción y extracción de tritio.

El proyecto de fusión más grande del mundo, ITER (del latín "el camino" y originalmente un acrónimo de "Reactor Experimental Termonuclear Internacional") en el sur de Francia, utilizará un tokamak masivo con un radio de plasma de 6,2 metros; toda la máquina pesará 23.000 toneladas métricas. Si todo sale según lo planeado, ITER, con el apoyo de la Unión Europea, el Reino Unido, China, India, Japón, Corea del Sur, Rusia y los EE. UU., será el primer reactor de fusión en demostrar una producción de energía continua a la escala de una planta de energía ( unos 500 megavatios, o MW). La construcción comenzó en 2007. La esperanza inicial era que los plasmas se produjeran en la cámara de fusión alrededor de 2020, pero ITER ha sufrido repetidos retrasos mientras que el costo estimado de 5450 millones de dólares se ha cuadruplicado. En enero pasado, los líderes del proyecto anunciaron otro contratiempo: el inicio previsto de la operación en 2035 puede retrasarse hasta la década de 2040. ITER no producirá energía comercial; como dice su nombre, es estrictamente una máquina experimental destinada a resolver problemas de ingeniería y preparar el camino para plantas de energía viables.

Este nuevo atraco de lo que algunos consideran un gigante engorroso sin garantía de éxito provocó otro ataque de escepticismo sobre la fusión. Pero tales problemas son de esperar, dice Hurricane. "ITER está siendo golpeado mucho, pero necesitamos darles un respiro y dejar que resuelvan los problemas", dice.

Chapman está de acuerdo. "Era muy predecible que habría problemas, tanto políticos como técnicos", dice. "El proyecto está haciendo cosas asombrosas, incluido el establecimiento de cadenas de suministro que no existían antes". El retraso es decepcionante, admite, "pero no creo que miremos hacia atrás en ITER y pensemos que fue un error. Pensaremos que fue realmente importante en la génesis de la fusión. Estoy convencido de que funcionará ."

Los tokamaks para plantas de energía probablemente no necesitarán ser tan gigantescos, y ciertamente no pueden ser tan caros como ITER. Últimamente ha habido un interés creciente en dispositivos más pequeños con una forma más esférica, como una manzana sin corazón. Uno de ellos, denominado Tokamak esférico para la producción de energía (STEP), está siendo planificado por la UKAEA como planta piloto que se desarrollará en paralelo con ITER.

El concepto de diseño esférico tuvo una prueba de principio exitosa con un dispositivo llamado Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST), que funcionó de 1999 a 2013, supervisado por UKAEA y la Comunidad Europea de Energía Atómica (Euratom). Estas máquinas más pequeñas tienen una mayor densidad de energía y, por lo tanto, un mayor riesgo de daño por calor, especialmente por la extracción de combustible gastado caliente en el sistema de "escape". Una versión mejorada, MAST Upgrade, se activó en 2020 y ha podido extraer calor unas 20 veces más eficientemente que el original. "Eso realmente abre el camino para concebir una planta de energía compacta", dice Chapman.

Ingrese a STEP, que pretende ser solo eso: una planta prototipo que produce electricidad neta. Todavía se encuentra en la fase de diseño conceptual, pero el gobierno del Reino Unido ya se ha movido para crear una regulación a medida para el proyecto, el primero en el mundo para la fusión, que elimina la necesidad de una licencia nuclear convencional. Los líderes seleccionaron un sitio en octubre pasado: una central eléctrica de carbón en el norte de Inglaterra que dejó de funcionar en marzo y está programada para ser demolida a principios de 2024. El sitio ya cuenta con un suministro de agua de refrigeración y conexiones a la red nacional y al sistema ferroviario.

La UE está planificando su propia planta prototipo, llamada DEMOnstration Power Plant (DEMO), administrada por el consorcio EUROfusion. Originalmente, el proyecto estaba previsto como una planta de 500 MW, pero el año pasado, las incertidumbres técnicas derivadas de los retrasos del ITER llevaron al consorcio a reducir el objetivo a alrededor de 200 MW. La construcción podría comenzar a principios de la década de 2040, dice Tony Donné, gerente de programa de EUROfusion. "Estoy convencido de que podemos construir un dispositivo de este tipo en 10 años".

Donné agrega que existen proyectos de "trampolín" equivalentes hacia plantas de fusión en Corea del Sur, Japón y China; Estados Unidos hizo planes para un dispositivo más pequeño llamado Fusion Nuclear Science Facility. "China llegó a la fiesta un poco tarde, pero ahora está invirtiendo mucho y aumentando rápidamente su fuerza laboral", dice Chapman. "Definitivamente se está poniendo al día con lo que ya existe en Europa y EE. UU." Donné cree que alguna competencia amistosa, una especie de "carrera lunar" para el primer prototipo de planta de fusión, podría ser beneficiosa siempre que los países continúen compartiendo información.

No todo son grandes proyectos nacionales e internacionales. Los pequeños tokamaks esféricos son una de las tecnologías que han puesto la fusión al alcance de la empresa privada. Han surgido varias docenas de nuevas empresas de fusión en todo el mundo, como Commonwealth Fusion Systems (CFS) en Massachusetts, General Fusion en Canadá y Tokamak Energy en el Reino Unido.

General Fusion, con el apoyo de UKAEA, acaba de comenzar a construir una planta de demostración que espera (ambiciosamente) tener en funcionamiento para 2025. Según el ex director ejecutivo de la compañía, Christofer Mowry, será "la primera planta de energía de gran tamaño relevante". demostración a escala". Mientras tanto, CFS, en asociación con el Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del Instituto de Tecnología de Massachusetts y otros, está construyendo un dispositivo prototipo llamado SPARC, que también está previsto que esté terminado en 2025. SPARC será un tokamak de tamaño mediano en el que el plasma se estrechamente confinados por campos magnéticos muy intensos producidos por nuevos imanes superconductores de alta temperatura desarrollados en el MIT y presentados en 2021. Dichos imanes fueron aclamados como un paso significativo para la fusión por confinamiento magnético porque la densidad de potencia en el plasma aumenta rápidamente a medida que la fuerza del aumenta el campo magnético.

El equipo de SPARC tiene como objetivo extraer energía neta del plasma (alrededor de 10 veces más energía de salida que de entrada) y generar de 50 a 140 MW de potencia de fusión. Aunque SPARC es mucho más pequeño que ITER, el director de PSFC, Dennis Whyte, dice que su misión es similar: resolver los problemas de ciencia y tecnología que se interponen en el camino de la comercialización. No suministrará energía a la red, pero está destinado a despejar el camino para el concepto de reactor de fusión "asequible, robusto y compacto" desarrollado en el MIT y perseguido por CFS, que Cowley considera "la compañía más impactante" hasta el momento.

Cowley da la bienvenida a este tipo de proyectos, pero advierte que no se deben considerar como un atajo para hacer de la fusión una fuente de energía realista. "Vemos que estas empresas emergentes llegan con mucho entusiasmo y gran parte de su atención se centra en una parte particular del problema", dice. Es muy poco probable que uno de ellos comercialice la energía de fusión antes que los peces gordos, y muchos simplemente se retirarán, como siempre hacen algunas empresas emergentes. Pero Chapman cree que otros se convertirán en valiosos proveedores de experiencia y de componentes especializados como los imanes. “La mayoría de las pequeñas empresas de fusión terminarán siendo parte de la cadena de suministro”, dice.

Las configuraciones para la fusión por confinamiento magnético no se limitan necesariamente a los tokamaks. En la década de 1950, el astrofísico Lyman Spitzer argumentó que el plasma podría estar contenido de manera más efectiva en una cámara de donas con una pared de túnel retorcida. Con esta configuración, el dispositivo podría mantener el plasma restringido utilizando los campos magnéticos generados por los flujos en el propio plasma cargado.

La geometría más compleja de este diseño, llamada stellarator, es difícil de diseñar, pero algunos proyectos la están buscando. Un ejemplo notable es el stellarator Wendelstein 7-X en Greifswald, Alemania, completado en 2015 y ahora en funcionamiento nuevamente después de una actualización de tres años. "Un stellarator tiene algunas ventajas, pero técnicamente es un dispositivo más complicado", dice Donné. "En Europa, estamos trabajando en el stellarator como respaldo del tokamak". La tecnología aún se encuentra en una etapa relativamente temprana, por lo que si esa copia de seguridad resulta ser esencial, es probable que la escala de tiempo para la fusión práctica se retrase nuevamente.

La estrategia del NIF es totalmente diferente a todos estos proyectos. En lugar de utilizar una gran cantidad de plasma confinado por campos magnéticos, el experimento NIF enciende un diminuto objetivo de deuterio y tritio. En este caso, el plasma de fusión se mantiene en su lugar solo fugazmente por su propia inercia después de que el experimento desencadena la fusión apretando el combustible abruptamente y calentándolo intensamente, un esquema llamado fusión por confinamiento inercial. El NIF produce estas condiciones extremas al enfocar rayos láser muy intensos en los objetivos en forma de perdigones. La energía de fusión se libera en un breve estallido antes de que el plasma caliente se expanda. Por lo tanto, este tipo de producción de energía ocurriría en pulsos, y las cápsulas de combustible tendrían que moverse constantemente una tras otra hacia la cámara de reacción para encenderse. La mayoría de los investigadores estiman que para que el enfoque sea práctico, las cápsulas deberían reemplazarse unas 10 veces por segundo.

Los desafíos para la fusión por confinamiento inercial son abrumadores y, en la actualidad, solo unas pocas instalaciones en el mundo lo están estudiando. Además del NIF, los más grandes, están la instalación de Megajoule Laser en Francia y la instalación de láser Shenguang-III en China; Rusia también podría estar siguiendo este enfoque, pero los detalles son difíciles de determinar. La generación de energía no es en realidad una parte principal de la misión de NIF; la instalación estaba destinada principalmente a desencadenar reacciones nucleares para estudiar y mantener el arsenal de armas nucleares de EE. UU. "El trabajo principal en el NIF ha sido financiado en su totalidad por el aparato de seguridad nacional de EE. UU.", dice Hurricane. "No es un reactor de fusión y no pretende demostrar la energía de fusión en ningún sentido práctico".

Queda mucho más trabajo por delante para hacer de la fusión por confinamiento inercial un verdadero competidor para el suministro de energía. "El trabajo se ha centrado en la ciencia fundamental y no hemos puesto tanto esfuerzo en las tecnologías de apoyo necesarias para una planta de energía", dice Tammy Ma, quien dirige la iniciativa de energía de fusión inercial del NIF.

Dado este panorama variado de proyectos de fusión, ¿qué tan cerca está realmente la energía de fusión práctica? Chapman es contundente: "Hoy no hay un solo proyecto en marcha para construir una planta de energía de fusión que produzca energía".

Y las plantas de energía reales, las que no son solo prototipos, tardan aproximadamente una década en construirse. "Los experimentos están progresando, y el progreso es impresionante", dice Chapman, "pero la fusión no funcionará [como fuente de energía masiva] dentro de unos años". Donné es aún más contundente: "Cualquiera que me diga que tendrá un futuro reactor en funcionamiento en cinco o diez años es un completo ignorante o un mentiroso".

Pronosticar cuándo llegará la energía de fusión siempre ha sido un asunto arriesgado, pero los expertos ahora están mayoritariamente de acuerdo en los plazos aproximados. "Supongamos que tenemos una planta piloto que funciona para fines de la década de 2030, aunque eso sería un poco", dice Cowley. Es poco probable que una planta de este tipo sea un modelo para la comercialización, por lo que, dice, "creo que tendrías otra etapa de unos 10 años desde una planta piloto hasta el primer reactor comercial". Chapman está de acuerdo en que las plantas de fusión podrían estar suministrando energía a la red alrededor de 2050 y luego podrían volverse cada vez más importantes para la economía energética en la segunda mitad del siglo, especialmente después de 2060.

Es probable que las plantas de fusión tengan aproximadamente la misma escala que las plantas de fisión o de combustibles fósiles actuales, con una producción de unos pocos gigavatios. Eso significa que podrían construirse en los mismos sitios, reemplazando similares, y con toda la infraestructura de red eléctrica necesaria ya instalada. "Se podría decir que la fusión es muy fácil de conectar y reemplazar los combustibles fósiles o la fisión", dice Donné. "Esta puede ser una transición muy suave". Él espera que las plantas de fusión reemplacen primero a las plantas de carbón aún activas, luego a las de petróleo y gas, y finalmente a las de fisión.

Aunque la fusión no pueda salvarnos de la crisis climática inmediata, a largo plazo puede ser la mejor opción para satisfacer nuestras necesidades energéticas sin destruir el planeta. El visionario soviético de la fusión Lev Artsimovich, el "padre del tokamak", dijo una vez que el mundo tendrá fusión nuclear cuando decida que la necesita. "Cuando nos demos cuenta de lo que hará el cambio climático como una amenaza existencial, la entrega de la fusión se acelerará enormemente", dice Chapman, haciendo una analogía con el rápido desarrollo de las vacunas COVID-19. Por el momento, simplemente no tenemos otra forma a largo plazo de llegar a cero emisiones netas de carbono, especialmente porque se prevé que la demanda mundial de energía se triplique entre 2050 y 2100. "La fusión es esencial" para satisfacer esa necesidad, dice Chapman. "No puedo ver qué más será". Las energías renovables como la eólica y la solar definitivamente tienen un papel que desempeñar, dice Donné, pero es probable que no sean suficientes.

Construir un nuevo tipo de infraestructura energética desde cero presenta oportunidades y desafíos. Los planificadores de la fisión nuclear cometieron algunos errores graves en términos de diseño y relaciones públicas, pero ahora la incipiente industria de la fusión tiene la oportunidad de aprender de esos errores y hacerlo mejor, sobre todo al pensar en cuestiones de equidad y justicia energética. "Cuando tengamos estas plantas, ¿dónde las colocaremos para que podamos proporcionar una fuente de energía limpia para todo tipo de comunidades?" pregunta Ma del NIF. "¿Cómo construimos una fuerza laboral diversa? ¿Cómo nos aseguramos de que mientras construimos esta industria, estamos capacitando a las personas para que tengan las habilidades del futuro? Al menos tratamos de hacerlo bien esta vez. "

Este artículo se publicó originalmente con el título "Star Power" en Scientific American 328, 6, 28-35 (junio de 2023)

doi:10.1038/cientificamerican0623-28

felipe bola es un escritor científico residente en Londres. Su próximo libro, How Life Works (University of Chicago Press), se publicará en el otoño de 2023. Crédito: Nick Higgins

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