ENERGÍA. El desafío de alcanzar el poder controlado de la fusión nuclear

En busca del poder de la fusión nuclear

 

Imagen: DANI3315 / SHUTTERSTOCK

Los científicos han estado persiguiendo el sueño de aprovechar las reacciones que impulsan el Sol desde los albores de la era atómica. El interés y la inversión en la fuente de energía libre de carbono están aumentando

07 noviembre 2023.- Desde hace casi un siglo, los astrónomos y los físicos saben que un proceso llamado fusión termonuclear ha mantenido el Sol y las estrellas brillando durante millones o incluso miles de millones de años. Y desde ese descubrimiento, han soñado con traer esa fuente de energía a la Tierra y usarla para alimentar el mundo moderno.

Es un sueño que se ha vuelto más apremiante hoy en día, en una era de creciente cambio climático. Aprovechar la fusión termonuclear e introducirla en las redes eléctricas del mundo podría ayudar a que todas nuestras plantas alimentadas con carbón y gas que arrojan dióxido de carbono sean un recuerdo lejano. 

Las instalaciones de energía de fusión podrían ofrecer electricidad sin emisiones de carbono que fluya día y noche, sin preocuparse por el viento o el clima, y ​​sin los inconvenientes de las plantas de fisión nuclear actuales , como fusiones potencialmente catastróficas y desechos radiactivos que deben aislarse durante miles de siglos. 

De hecho, la fusión es exactamente lo opuesto a la fisión: en lugar de dividir elementos pesados ​​como el uranio en átomos más ligeros, la fusión genera energía fusionando varios isótopos de elementos ligeros como el hidrógeno en átomos más pesados.

Para hacer realidad este sueño, los científicos de la fusión deben encender la fusión aquí en la Tierra, pero sin acceso a los aplastantes niveles de gravedad que logran esta hazaña en el núcleo del Sol. Hacerlo en la Tierra significa poner esos isótopos ligeros en un reactor y encontrar una manera de calentarlos a cientos de millones de grados centígrados, convirtiéndolos en un “plasma” ionizado similar al interior de un rayo, sólo que más caliente y más difícil de controlar. Y significa encontrar una manera de controlar ese rayo, generalmente con algún tipo de campo magnético que "agarre" el plasma y lo sujete con fuerza mientras se retuerce, gira e intenta escapar como un ser vivo.

Ambos desafíos son, cuanto menos, desalentadores. De hecho, no fue hasta finales de 2022 que un experimento de fusión multimillonario en California finalmente obtuvo una pequeña muestra de isótopo para producir más energía termonuclear de la que se utilizó para encenderlo . Y ese evento, que duró sólo alrededor de una décima de nanosegundo, tuvo que ser desencadenado por la potencia combinada de 192 de los láseres más potentes del mundo.

Este enfoque de la fusión comienza con un pequeño objetivo sólido lleno de combustible de deuterio y tritio que recibe intensos pulsos de energía por todos lados. Esto se puede hacer indirectamente (izquierda) rodeando el objetivo con un pequeño cilindro metálico. Los láseres golpean el interior del cilindro, generando rayos X que calientan la pastilla de combustible. Los rayos láser también pueden calentar el objetivo directamente (derecha). De cualquier manera, la pastilla de combustible implosiona y la liberación de energía resultante rápidamente destroza al objetivo. El enfoque indirecto fue utilizado por el National Ignition Facility en los anunciados experimentos de "equilibrio" que produjeron más energía de la que entregaban los láseres. Pero probablemente faltan muchas décadas para que este enfoque de la fusión se convierta en una forma práctica de generar electricidad.

Hoy, sin embargo, el mundo de la fusión está inundado de planes para máquinas mucho más prácticas. Nuevas tecnologías, como los superconductores de alta temperatura, prometen hacer que los reactores de fusión sean más pequeños, más simples, más baratos y más eficientes de lo que antes parecía posible. Y mejor aún, todas esas décadas de progreso lento y tenaz parecen haber superado un punto de inflexión, y los investigadores de la fusión ahora tienen suficiente experiencia para diseñar experimentos con plasma que funcionan más o menos como se predijo.

"La capacidad tecnológica está llegando a la mayoría de edad y ahora está a la altura del desafío de esta búsqueda", dice Michl Binderbauer, director ejecutivo de la empresa de fusión TAE Technologies en el sur de California.

De hecho, se han lanzado más de 40 empresas comerciales de fusión desde que TAE se convirtió en la primera en 1998; la mayoría de ellas en los últimos cinco años, y muchas con un diseño de reactor de potencia que esperan tener operativo en la próxima década aproximadamente. "'Sigo pensando que, claro, hemos alcanzado nuestro punto máximo", dice Andrew Holland, quien mantiene un recuento continuo como director ejecutivo de Fusion Industry Association , un grupo de defensa que fundó en 2018 en Washington, DC. 

Nada de esto ha pasado desapercibido para las empresas de inversión privadas, que han respaldado las nuevas empresas de fusión con unos 6.000 millones de dólares y contando. Esta combinación de nueva tecnología y dinero privado crea una sinergia feliz, dice Jonathan Menard, jefe de investigación del Laboratorio de Física del Plasma Princeton del Departamento de Energía en Nueva Jersey, y que no participa en ninguna de las empresas de fusión.

Por supuesto, hay muchas razones para ser cautelosos, empezando por el hecho de que ninguna de estas empresas ha demostrado hasta ahora que puede generar energía de fusión neta ni siquiera brevemente, y mucho menos llegar a una máquina a escala comercial dentro de una década. 

Con más de 40 empresas intentando hacer precisamente eso, pronto sabremos si una o más de ellas lo consigue. Mientras tanto, para dar una idea de las posibilidades, a continuación se presenta una descripción general de los desafíos que todo reactor de fusión debe superar y un vistazo a algunos de los diseños mejor financiados y mejor desarrollados para enfrentar esos desafíos.

Requisitos previos para la fusión

El primer desafío para cualquier dispositivo de fusión es encender el fuego, por así decirlo: tiene que tomar cualquier mezcla de isótopos que esté usando como combustible y hacer que los núcleos se toquen, se fusionen y liberen toda esa hermosa energía.

Esto significa literalmente "tocar": la fusión es un deporte de contacto y la reacción ni siquiera comenzará hasta que los núcleos choquen de frente. Lo que complica esto es que cada núcleo atómico contiene protones cargados positivamente y las cargas positivas se repelen eléctricamente entre sí. Entonces, la única forma de superar esa repulsión es hacer que los núcleos se muevan tan rápido que choquen y se fusionen antes de ser desviados.

Esta necesidad de velocidad requiere una temperatura del plasma de al menos 100 millones de grados C. Y eso es sólo para una mezcla de combustible de deuterio y tritio, los dos isótopos pesados ​​del hidrógeno. Otras mezclas de isótopos tendrían que calentarse mucho más, razón por la cual el "DT" sigue siendo el combustible elegido en la mayoría de los diseños de reactores.

En los reactores de fusión, los isótopos ligeros se fusionan para formar otros más pesados ​​y liberan energía en el proceso. Aquí se muestran cuatro ejemplos de combustibles para reactores. El primero, DT, combina dos formas pesadas de hidrógeno (deuterio y tritio). Esta mezcla es más común porque comienza a fusionarse a la temperatura más baja, pero el tritio es radiactivo y los neutrones generados pueden hacer que el reactor sea radiactivo. Una reacción entre dos núcleos de deuterio (DD) es más lenta y requiere altas temperaturas. El uso de una mezcla de deuterio-helio-3 también es menos común, en parte porque el helio-3 es raro y costoso. Quizás la más tentadora sea una mezcla de protones y boro-11 (P- 11 B). Ambos isótopos no son radiactivos y son abundantes, mientras que sus productos de fusión son estables y fáciles de capturar para la extracción de energía. El desafío será llevar la mezcla a temperaturas de fusión de más de mil millones de grados Celsius.

Pero cualquiera que sea el combustible, la búsqueda para alcanzar temperaturas de fusión generalmente se reduce a una carrera entre los esfuerzos de los investigadores por bombear energía con una fuente externa como microondas, o haces de átomos neutros de alta energía, y los intentos de iones de plasma de irradiar esa energía. energía tan rápido como la reciben.

Pero esto sólo lleva al segundo desafío: una vez que se enciende el fuego, cualquier reactor práctico tendrá que mantenerlo encendido, es decir, confinar estos núcleos sobrecalentados para que estén lo suficientemente cerca como para mantener una tasa razonable de colisiones durante el tiempo suficiente para producir un flujo útil de poder.

En la mayoría de los reactores, esto significa proteger el plasma dentro de una cámara hermética, ya que las moléculas de aire perdidas enfriarían el plasma y apagarían la reacción. Pero también significa mantener el plasma alejado de las paredes de la cámara, que son mucho más frías que el plasma que el más mínimo contacto también matará la reacción. El problema es que si se intenta mantener el plasma alejado de las paredes con una barrera no física, como un campo magnético fuerte, el flujo de iones rápidamente se distorsionará y se volverá inútil debido a las corrientes y campos dentro del plasma.

A menos, claro está, que se haya dado forma al campo con mucho cuidado e inteligencia, razón por la cual los diversos esquemas de confinamiento explican algunas de las diferencias más dramáticas entre los diseños de reactores.

Finalmente, los reactores prácticos tendrán que incluir alguna forma de extraer la energía de fusión y convertirla en un flujo constante de electricidad. Aunque nunca han faltado ideas para este último desafío, los detalles dependen fundamentalmente de la mezcla de combustible que utilice el reactor.

Con el combustible de deuterio-tritio, por ejemplo, la reacción produce la mayor parte de su energía en forma de partículas de alta velocidad llamadas neutrones, que no pueden estar confinadas en un campo magnético porque no tienen carga. Esta falta de carga eléctrica permite que los neutrones vuelen no sólo a través de los campos magnéticos sino también a través de las paredes del reactor. Por lo tanto, la cámara de plasma tendrá que estar rodeada por una “manta”: una capa gruesa de algún material pesado como plomo o acero que absorberá los neutrones y convertirá su energía en calor. Luego, el calor se puede utilizar para hervir agua y generar electricidad mediante el mismo tipo de turbinas de vapor que se utilizan en las centrales eléctricas convencionales.

Una planta de energía de fusión podría usar uno de varios tipos diferentes de reactores, pero convertirá la energía de fusión en electricidad de la misma manera que lo hacen las plantas de energía de combustibles fósiles o los reactores de fisión nuclear: el calor de la fuente de energía hervirá el agua para producir vapor, el vapor fluirá a través de una turbina de vapor y la turbina hará girar un generador eléctrico para enviar energía a la red.

Muchos diseños de reactores DT también requieren incluir algo de litio en el material de la capa, de modo que los neutrones reaccionen con ese elemento para producir nuevos núcleos de tritio. Este paso es crítico: dado que cada evento de fusión DT consume un núcleo de tritio, y dado que este isótopo es radiactivo y no existe en la naturaleza, el reactor pronto se quedaría sin combustible si no aprovechara esta oportunidad para reponerlo.

Las complejidades del combustible DT son tan engorrosas que algunas de las nuevas empresas de fusión más audaces han optado por mezclas de combustibles alternativos. El TAE de Binderbauer, por ejemplo, apunta a lo que muchos consideran el combustible de fusión definitivo: una mezcla de protones y boro-11. Ambos ingredientes no sólo son estables, no tóxicos y abundantes, sino que su único producto de reacción es un trío de núcleos de helio-4 cargados positivamente cuya energía se captura fácilmente con campos magnéticos, sin necesidad de una manta.

Pero los combustibles alternativos presentan diferentes desafíos, como el hecho de que TAE tendrá que lograr que su mezcla de protón-boro-11 alcance temperaturas de fusión de al menos mil millones de grados Celsius, aproximadamente 10 veces más que el umbral de DT.

Una plasma toroidal

Los conceptos básicos de estos tres desafíos (encender el plasma, sostener la reacción y recolectar la energía) quedaron claros desde los primeros días de la investigación sobre la energía de fusión. Y en la década de 1950, los innovadores en este campo habían comenzado a idear numerosos esquemas para resolverlos, la mayoría de los cuales quedaron en el camino después de 1968, cuando los físicos soviéticos hicieron público un diseño al que llamaron tokamak.

Al igual que varios de los conceptos de reactores anteriores, los tokamaks presentaban una cámara de plasma algo así como una rosquilla hueca (una forma que permitía que los iones circularan sin cesar sin golpear nada) y controlaban los iones de plasma con campos magnéticos generados por bobinas portadoras de corriente enrolladas alrededor del exterior. del donut.

Pero los tokamaks también presentaban un nuevo conjunto de bobinas que provocaban que una corriente eléctrica girara alrededor del donut a través del plasma, como un rayo circular. Esta corriente dio a los campos magnéticos un giro sutil que contribuyó sorprendentemente en gran medida a estabilizar el plasma. Y aunque la primera de estas máquinas todavía no podía acercarse a las temperaturas y tiempos de confinamiento que necesitaría un reactor de energía, los resultados fueron mucho mejores que cualquier cosa vista antes que el mundo de la fusión prácticamente cambió a los tokamaks en masa .

Los reactores Tokamak (izquierda) y los diseños relacionados conocidos como reactores stellarator (derecha) confinan el plasma supercaliente (amarillo) con campos magnéticos (púrpura) que son generados por bobinas electromagnéticas (azul y rojo). En el caso de los tokamaks, el tipo más común de reactor, estas bobinas también inician el flujo de una corriente eléctrica a través del plasma, lo que ayuda a mantener estable la reacción. El diseño del estelarador también confina el plasma dentro de una rosquilla hermética, pero elimina la necesidad de una corriente circular al controlar el plasma con un conjunto mucho más complejo de bobinas externas (azul).

Desde entonces, se han construido en todo el mundo más de 200 tokamaks de diversos diseños, y los físicos han aprendido tanto sobre los plasmas de tokamak que pueden predecir con confianza el rendimiento de las máquinas futuras. Esa confianza es la razón por la que un consorcio internacional de agencias de financiación ha estado dispuesto a comprometer más de 20 mil millones de dólares para construir ITER (en latín “el camino”): un tokamak ampliado hasta el tamaño de un edificio de 10 pisos. Se espera que el ITER, que se construye en el sur de Francia desde 2010, comience experimentos con combustible de deuterio-tritio en 2035. Y cuando lo haga, los físicos están bastante seguros de que el ITER podrá retener y estudiar plasmas de fusión en llamas durante minutos seguidos, proporcionando un tesoro único de datos que, con suerte, será útil en la construcción de reactores de energía.

Pero el ITER también fue diseñado como una máquina de investigación con mucha más instrumentación y versatilidad de la que un reactor de energía en funcionamiento necesitaría jamás, razón por la cual dos de las nuevas empresas de fusión mejor financiadas de la actualidad están compitiendo para desarrollar reactores tokamak que serían mucho más pequeños y simples. y más barato.

El primero en salir fue Tokamak Energy , una empresa del Reino Unido fundada en 2009. La compañía ha recibido unos 250 millones de dólares en capital de riesgo a lo largo de los años para desarrollar un reactor basado en “tokamaks esféricos”, una variación particularmente compacta que se parece más a un reactor con núcleo manzana más que un donut.

Pero está surgiendo rápidamente Commonwealth Fusion Systems en Massachusetts, una filial del MIT que ni siquiera se lanzó hasta 2018. Aunque el diseño del tokamak de Commonwealth utiliza una configuración de donut más convencional, el acceso a la extensa red de recaudación de fondos del MIT ya le ha reportado a la compañía casi $2 mil millones.

Ambas empresas se encuentran entre las primeras en generar sus campos magnéticos con cables fabricados con superconductores de alta temperatura (HTS). Descubiertos en la década de 1980, pero recientemente disponibles en forma de cable, estos materiales pueden transportar una corriente eléctrica sin resistencia incluso a una temperatura relativamente tórrida de 77 Kelvin, o -196 grados Celsius, lo suficientemente caliente como para lograrse con nitrógeno líquido o gas helio. Esto hace que los cables HTS sean mucho más fáciles y baratos de enfriar que los que utilizará ITER, ya que estarán hechos de superconductores convencionales que deberán bañarse en helio líquido a 4 Kelvin.

Pero más que eso, los cables HTS pueden generar campos magnéticos mucho más fuertes en un espacio mucho más pequeño que sus homólogos de baja temperatura, lo que significa que ambas empresas han podido reducir los diseños de sus centrales eléctricas a una fracción del tamaño del ITER.

Sin embargo, a pesar de lo dominantes que han sido los tokamaks, la mayoría de las nuevas empresas de fusión actuales no utilizan ese diseño. Están reviviendo alternativas más antiguas que podrían ser más pequeñas, más simples y más baratas que los tokamaks, si alguien pudiera hacerlas funcionar.

Vórtices de plasma

Los mejores ejemplos de estos diseños revividos son los reactores de fusión basados ​​en vórtices de plasma en forma de anillos de humo conocidos como configuración de campo invertido (FRC). Parecido a un cigarro gordo y hueco que gira sobre su eje como un giroscopio, un vórtice de FRC se mantiene unido con sus propias corrientes internas y campos magnéticos, lo que significa que no hay necesidad de un reactor de FRC para mantener sus iones circulando sin cesar alrededor de un donut en forma. cámara de plasma. En principio, al menos, el vórtice permanecerá felizmente dentro de una cámara cilíndrica recta, requiriendo sólo un ligero campo externo para mantenerlo estable. Esto significa que un reactor basado en FRC podría deshacerse de la mayoría de esas costosas bobinas de campo externas que consumen mucha energía, haciéndolo más pequeño, más simple y más barato que un tokamak o casi cualquier otra cosa.

Aquí se muestra un concepto de reactor lineal basado en un vórtice de plasma especialmente estable que se mantiene unido mediante sus propias corrientes internas y campos magnéticos. Llamada configuración de campo invertido (FRC), se forma a partir de la fusión de dos vórtices más simples que se disparan desde cada extremo de la cámara de reacción mediante cañones de plasma. Los rayos de combustible fresco que entran desde el costado mantienen al FRC caliente y girando rápidamente.

Desafortunadamente, en la práctica, los primeros experimentos con estos puros de plasma giratorios en los años 60 descubrieron que siempre parecían perder el control en unos pocos cientos de microsegundos, razón por la cual este enfoque fue abandonado en gran medida en la era del tokamak.

Sin embargo, la simplicidad básica de un reactor FRC nunca perdió por completo su atractivo. Tampoco lo hizo el hecho de que los FRC pudieran potencialmente ser llevados a temperaturas de plasma extremas sin desintegrarse, razón por la cual TAE eligió el enfoque FRC en 1998, cuando la compañía comenzó su búsqueda para explotar la reacción protón-boro-11 de mil millones de grados. 

Binderbauer y su cofundador de TAE, el fallecido físico Norman Rostoker, habían ideado un plan para estabilizar y sostener el vórtice FRC indefinidamente: simplemente disparar rayos de combustible nuevo a lo largo de los bordes exteriores del vórtice para mantener el plasma caliente y la velocidad de giro alta.

Funcionó. A mediados de la década de 2010, el equipo de TAE había demostrado que esos rayos de partículas que llegaban desde un lado mantendrían el FRC girando y estable mientras los inyectores del haz tuvieran energía (poco menos de 10 milisegundos con la energía almacenada del laboratorio). suministro, pero mientras quieran (presumiblemente) una vez que puedan extraer un poco de energía sobrante de un reactor que quema protón-boro-11. Y para 2022, habían demostrado que sus FRC podían mantener esa estabilidad muy por encima de los 70 millones de grados C.

Con la finalización prevista para 2025 de su próxima máquina, la Copernicus de 30 metros de largo, TAE espera alcanzar condiciones de combustión por encima de los 100 millones de grados (aunque utilizando hidrógeno simple como sustituto). Este hito debería brindar al equipo de TAE datos esenciales para diseñar su máquina DaVinci: un prototipo de reactor que (esperan) comenzará a alimentar la red eléctrica generada con p-B11 a principios de la década de 2030.

Plasma "enlatado"

Mientras tanto, General Fusion de Vancouver, Canadá, se está asociando con la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido para construir un reactor de demostración para quizás el concepto más extraño de todos: un resurgimiento de la fusión de objetivos magnetizados en el siglo XXI. Este concepto de la década de 1970 equivale a disparar un vórtice de plasma dentro de una lata de metal y luego aplastarla. Haga esto lo suficientemente rápido y el plasma atrapado se comprimirá y calentará hasta alcanzar condiciones de fusión. Hágalo con suficiente frecuencia y una cadena más o menos continua de energía de fusión saldrá de nuevo, y tendrá un reactor de energía.

En el concepto actual de General Fusion, la lata de metal será reemplazada por una mezcla fundida de plomo y litio que se mantiene mediante fuerza centrífuga contra los lados de un contenedor cilíndrico que gira a 400 RPM. Al comienzo de cada ciclo del reactor, una pistola de plasma que apunta hacia abajo inyectará un vórtice de combustible de deuterio-tritio ionizado (el "objetivo magnetizado") que convertirá brevemente el contenedor giratorio revestido de metal en un tokamak esférico en miniatura. A continuación, un bosque de pistones de aire comprimido colocados alrededor del exterior del contenedor empujará la mezcla de plomo y litio hacia el vórtice, aplastándola desde un diámetro de tres metros hasta 30 centímetros en unos cinco milisegundos, y elevando el deuterio-tritio a la fusión. temperaturas.

Fusión de objetivo magnetizado es el nombre de la década de 1970 para un enfoque que equivale a disparar un vórtice de plasma dentro de una lata de metal y luego aplastarla. Aquí se muestra una versión moderna en la que la lata de metal se reemplaza por una mezcla fundida de plomo y litio que se mantiene contra los lados de un recipiente giratorio mediante fuerza centrífuga. Los cañones de plasma disparan vórtices de plasma de deuterio y tritio hacia el interior hueco del contenedor, mientras que los pistones dispuestos alrededor del exterior del contenedor empujan la mezcla de plomo y litio hacia adentro, aplastando el plasma y provocando la fusión. La explosión empuja la mezcla fundida de plomo y litio hacia afuera y reinicia el sistema.

La explosión resultante golpeará la mezcla fundida de plomo y litio, empujándola hacia las paredes del cilindro giratorio y reiniciando el sistema para el siguiente ciclo, que comenzará aproximadamente un segundo después. Mientras tanto, en una escala de tiempo mucho más lenta, las bombas harán circular constantemente el metal fundido hacia el exterior para que los intercambiadores de calor puedan recolectar la energía de fusión que absorbe, y otros sistemas puedan eliminar el tritio generado a partir de las interacciones neutrones-litio.

Todas estas partes móviles requieren una coreografía compleja, pero si todo funciona como sugieren las simulaciones, la compañía espera construir una planta de energía a gran escala que queme deuterio y tritio para la década de 2030.

Nadie sabe cuándo (o si) los conceptos de reactores particulares mencionados aquí darán lugar a verdaderas plantas de energía comerciales, o si el primero en llegar al mercado será uno de los muchos diseños de reactores alternativos que están desarrollando las otras más de 40 empresas de fusión.

Pero claro, pocas o ninguna de estas empresas ven la búsqueda de energía de fusión como una carrera de caballos o un juego de suma cero. Muchos de ellos han descrito sus rivalidades como feroces, pero básicamente amistosas, principalmente porque, en un mundo que está desesperado por cualquier forma de energía libre de carbono, hay mucho espacio para que múltiples tipos de reactores de fusión sean un éxito comercial.

Fuente: M. Mitchell Waldrop (para Knowable magazine)