Se conoce una anécdota: la fusión nuclear será en veinte años. Siempre lo será en veinte años. Esta broma, que ahora ya no es divertida, surgió del optimismo de los científicos que, en la década de 1950 (y en todas las décadas posteriores), creían que la fusión nuclear estaba a solo 20 años de distancia. Ahora, esta anécdota ha sido tomada en serio por una startup, nativa del MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts), una institución muy respetada y famosa: Commonwealth Fusion Technologies. La startup promete lanzar un reactor de fusión nuclear en funcionamiento en 15 años. Promete energía barata, limpia e ilimitada que resolverá todas las crisis de combustibles fósiles y cambio climático. Por eso dicen: "una fuente de energía potencialmente inagotable y libre de carbono".
El único problema: hemos escuchado esto muchas veces antes. ¿Qué es diferente esta vez?
Otro cliché famoso se refiere a la energía de fusión. La idea es simple: pones el sol en una botella. Todo lo que queda es construir una botella. La energía de fusión alimenta las estrellas, pero requiere condiciones increíblemente calientes y densas para que el plasma funcione.
Se puede liberar una enorme cantidad de energía cuando dos núcleos de luz se fusionan: la fusión de deuterio-tritio, que se lleva a cabo como parte del experimento ITER, emite 17,6 MeV por reacción, un millón de veces más energía por molécula de la que se obtiene de la explosión de TNT. Pero para liberar esta energía, debe superar la poderosa repulsión electrostática entre los núcleos, que están cargados positivamente. La fuerte interacción a distancias cortas conduce a una fusión que libera toda esta energía, pero los núcleos deben acercarse mucho, en femtómetros. En las estrellas, esto ocurre por sí solo debido a la colosal presión gravitacional sobre el material, pero en la Tierra esto es más difícil.
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Primero debe intentar encontrar materiales que sobrevivan después de la exposición a temperaturas de cientos de millones de grados Celsius.
El plasma está formado por partículas cargadas; la materia y los electrones se eliminan. Puede mantenerse en su lugar mediante un campo magnético que pliega el plasma en un círculo. Las manipulaciones con el campo magnético también permiten comprimir este plasma. En las décadas de 1950 y 1960, apareció toda una generación de dispositivos con nombres exóticos: Stellarator, Perhapsatron, Z-Pinch, diseñados para esto. Pero el plasma que intentaban retener era inestable. El plasma mismo genera campos electromagnéticos, puede describirse mediante una teoría muy compleja de la magnetohidrodinámica. Las ligeras desviaciones o defectos en la superficie del plasma se salieron rápidamente de control. En resumen, los dispositivos no funcionaron como se esperaba.
La Unión Soviética desarrolló un dispositivo tokamak que ofrecía un rendimiento enormemente mejorado. Al mismo tiempo, se inventó un láser, lo que permitió un nuevo tipo de síntesis: síntesis con confinamiento inercial.
En este caso, ya no es necesario mantener el plasma ardiendo en campos magnéticos, es necesario comprimirlo mediante una explosión utilizando láseres en poco tiempo. Pero los experimentos con confinamiento inercial también adolecieron de inestabilidades. Han estado funcionando desde la década de 1970 y algún día pueden salirse con la suya, pero el más grande hasta la fecha, el Laboratorio Nacional de Ignición en Livermore, California, nunca ha alcanzado un punto de equilibrio en el que se producirá más energía de la que se gastará.
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Gran parte de la esperanza está en ITER, el tokamak de fusión por confinamiento magnético más grande del mundo, que todavía está en construcción.
Los desarrolladores del proyecto esperan encender el plasma en 20 minutos para generar 500 MW de potencia con una entrada nominal de 50 MW. Se planean experimentos de fusión completa para 2035, pero los problemas con la cooperación internacional entre los EE. UU., La URSS (entonces todavía), Japón y Europa han provocado grandes retrasos y estiramientos presupuestarios. El proyecto lleva 12 años de retraso y cuesta 13.000 millones de dólares. Esto no es raro en proyectos que requieren la construcción de grandes instalaciones.
Según el plan ITER, el primer reactor de fusión termonuclear, que funcionará como central eléctrica, encendiendo y apoyando la fusión, DEMO, debería entrar en funcionamiento en 2040 o incluso en 2050. En otras palabras, la fusión nuclear … será en veinte años. Existe una tendencia a resolver problemas de inestabilidad construyendo cada vez más instalaciones. ITER será más grande que JET y DEMO será más grande que ITER.
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A lo largo de los años, muchos equipos han desafiado la colaboración internacional con diseños más pequeños. La cuestión no es la rapidez, sino la practicidad. Si realmente se necesitan miles de millones de dólares y decenas de años para construir un reactor de fusión, ¿valdrá la pena? ¿Quién pagará la construcción? Quizás para cuando se construya un tokamak que funcione, la combinación de paneles solares y baterías nuevas nos proporcionará energía que será más barata que la que se produce en el tokamak. Algunos proyectos, incluso la notoria "fusión fría", resultaron ser falsos o no funcionar.
Otros merecen más atención. Startups con nuevos diseños de reactores de fusión o, en algunos casos, versiones revisadas de intentos anteriores.
Tri Alpha espera colisionar nubes de plasma en una estructura que recuerde al Gran Colisionador de Hadrones y luego mantener el plasma de fusión en un campo magnético el tiempo suficiente para alcanzar un equilibrio y generar energía. Lograron alcanzar las temperaturas requeridas y el confinamiento del plasma en unos pocos milisegundos, y también recaudaron más de $ 500 millones en capital de riesgo.
Lockheed Martin Skunk Works, conocida por sus proyectos secretos, causó sensación en 2013 al anunciar que estaban trabajando en un reactor de fusión compacto de 100 MW del tamaño de un motor a reacción. En ese momento, manifestaron que el prototipo estaría listo en cinco años. Por supuesto, no revelaron detalles de diseño. En 2016, se confirmó que el proyecto está recibiendo financiación, pero muchos ya han perdido la fe y se han ganado el escepticismo.
Y en el contexto de toda esta desgracia, los científicos del MIT irrumpieron en el ring. Bob Mumgaard, director ejecutivo de Commonwealth Fusion Energy, dijo: “Estamos comprometidos a conseguir una estación de trabajo a tiempo para combatir el cambio climático. Creemos que la ciencia, la velocidad y la escala del proyecto llevarán quince años.
El nuevo proyecto del MIT se adhiere al diseño del tokamak, como lo ha hecho en el pasado. Se supone que el dispositivo SPARC produce 100 MW de energía en pulsos de confinamiento de 10 segundos. Ya era posible obtener energía a partir de pulsos antes, pero el punto de equilibrio es lo que realmente atrae a los científicos.
Una salsa especial en este caso son los nuevos imanes superconductores de alta temperatura hechos de óxido de itrio-bario-cobre. Teniendo en cuenta que HTSM puede crear campos magnéticos más potentes a la misma temperatura que los imanes convencionales, es posible comprimir plasma con una potencia de entrada menor, un dispositivo magnético menor y lograr condiciones de síntesis en un dispositivo 65 veces más pequeño que ITER. Ese es el plan, de todos modos. Esperan crear imanes superconductores en los próximos tres años.
Los científicos son optimistas: "Nuestra estrategia es utilizar la física conservadora basada en décadas de trabajo en el MIT y en otros lugares", dijo Martin Greenwald, director asociado del Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT. "Si el SPARC logra el rendimiento esperado, mi instinto dicta que se puede escalar a una planta de energía real".
Hay muchos otros proyectos y startups que de manera similar prometen evitar todo tipo de tokamaks y presupuestos de colaboración internacional. Es difícil decir si alguno de ellos encontrará el ingrediente secreto para la síntesis o si el ITER, con su peso en la comunidad científica y el apoyo de los países, ganará. Todavía es difícil decir cuándo y si la fusión se convertirá en la mejor fuente de energía. La síntesis es difícil. Así es como muestra la historia.
Ilya Khel
