cómo funciona, hacia dónde se dirige y qué tipo de sociedad humana dejará a su paso
"Si descubrimos cómo aprovechar esto de forma eficaz y eficiente, esto es todo. Este es el fin. Esta es la solución", nos dice un experto.
Por Darren Orf
La fusión es el motor del universo. Desde el microbio más pequeño hasta la vida más compleja de los mundos extraterrestres existen gracias a la física cataclísmica que tiene lugar en el corazón de cada estrella. Cada punzada de luz en el cielo nocturno es una mezcla de inmensa gravedad y calor que crea una explosión termonuclear autosostenida que hace posible la vida.
Desde hace casi un siglo, los científicos saben que esta danza explosiva de plasma ionizado en el corazón de nuestro sol es lo que baña nuestro planeta de luz y calor. Y desde ese descubrimiento, universidades, laboratorios, agencias gubernamentales y coaliciones internacionales han invertido miles de millones en encontrar alguna forma de embotellar el sol y generar energía limpia e ilimitada.
Docenas de empresas privadas financiadas por algunas de las personas más ricas del mundo están avanzando con diversas formas de crear fusión comercial. Una de las empresas más recientes en la carrera por la energía ilimitada quiere aprovechar la tecnología láser que se esconde tras el mayor avance en fusión de Estados Unidos hasta la fecha, mientras que otras empresas están tomando un camino diferente que implica imanes, superconductores y plasma supercaliente.
Sea cual sea el enfoque ganador, si queremos que la fusión comercial sea una realidad en las próximas décadas, se necesitará un nivel de dedicación científica (y financiación) que haría que el programa Apolo pareciera un proyecto de ciencias de instituto.
Esta es la historia de la fusión nuclear: cómo funciona, hacia dónde se dirige y qué tipo de sociedad humana dejará a su paso.
A pesar de las grandes promesas de la fusión nuclear, la ciencia en la que se basa tiene lugar a una escala atómica extremadamente pequeña. En su nivel más básico, la fusión nuclear se produce cuando dos núcleos ligeros (por ejemplo, el hidrógeno) se combinan o fusionan para formar un isótopo más pesado llamado helio-4. Por su parte, la fisión, que es la ciencia que hace funcionar todos los reactores nucleares hoy en día, se produce a escala atómica. Por su parte, la fisión, que es la ciencia que hace funcionar todos los reactores nucleares actuales, es más o menos lo contrario: una partícula de neutrones choca contra un átomo más grande, como el uranio-235, y lo divide en dos más pequeños, como el bario y el criptón.
“La química es básicamente la historia de los átomos que intentan ser más estables, y van a encontrar socios con los que reaccionar para ser más estables”, dice Vincent Tang, Ph.D., subdirector principal de la National Ignition Facility y del Lawrence Livermore National Laboratory. “Cuando encuentran una pareja que las hace más estables, liberan energía en forma de calor o luz. Si se asocian y se fusionan, quieren ser más estables, quieren convertirse en Iron-56”.
Es más fácil decirlo que hacerlo, porque estos dos protones de hidrógeno no quieren fusionarse. En condiciones normales, dos protones cargados positivamente simplemente se repelerían debido a la repulsión electrostática, básicamente la versión atómica de intentar forzar la unión de dos polos negativos de una barra magnética; es posible, pero no es fácil.
Para forzar la unión de dos núcleos (un único protón es el núcleo de un átomo de hidrógeno), deben superar esta repulsión para que la fuerza nuclear fuerte -una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo que mantiene unido el núcleo de un átomo- tome el control y fusione los dos átomos de hidrógeno.
Para ello, las cosas tienen que calentarse, como el plasma, porque el calor excita los átomos, los separa y los acelera para que superen esta resistencia electrostática mutua. Ni siquiera el calor del centro del Sol es suficiente para fusionar normalmente estos elementos, pero un concepto conocido como tunelización cuántica permite que una fracción de los protones de hidrógeno se fusionen.
Aquí es donde estos procesos atómicos y cuánticos invisibles pueden crear algo tan increíble como nuestro sol. Cuando dos átomos de hidrógeno se fusionan en el núcleo del sol, el átomo de helio resultante pesa menos que los dos átomos de hidrógeno originales. Como nos dice Albert Einstein y su famosa ecuación E = MC², la masa no desaparece sin más, sino que se convierte en energía.
Para lograr una reacción más eficaz a temperaturas más bajas, los científicos utilizan dos isótopos de hidrógeno llamados deuterio y tritio para fusionarse en helio (produciendo también un neutrón de reserva).
La creación de esta reacción de fusión inicial -y, lo que es más importante, su mantenimiento- ha sido el trabajo de físicos nucleares de todo el mundo durante casi un siglo. Aunque los reactores de fusión pueden tener muchas formas y tamaños, se dividen esencialmente en tres categorías, definidas por la forma en que cada máquina confina el plasma supercaliente necesario para crear reacciones de fusión: reactores de fusión de confinamiento gravitatorio, inercial y magnético.
Un reactor de fusión de confinamiento gravitacional es una forma elegante de decir «el sol». Debido a su inmenso tamaño, el sol es esencialmente un cóctel ardiente de calor y presión, que proporciona el entorno perfecto para la fusión. La fusión en el sol sigue un proceso de reacción termonuclear de varios pasos (o nucleosíntesis), conocido como la cadena protón-protón.
En este proceso, cuatro protones de hidrógeno y dos electrones se fusionan en un proceso de varios pasos y finalmente crean Helio-4, dos neutrinos electrónicos y seis rayos gamma (que finalmente experimentamos como luz solar en la Tierra). El helio-4, un isótopo del helio, tiene un núcleo extraordinariamente estable; también es un valor atípico en la curva de energía de enlace nuclear, un gráfico que muestra la fuerza con la que se mantienen unidos los núcleos atómicos de los distintos elementos (véase más abajo). Así pues, cuando los átomos se fusionan para formar helio-4, se produce aún más energía, y aunque estas reacciones no tienen una alta probabilidad de fusión, la filosofía del sol de «demasiado grande para fallar» compensa estas ineficiencias energéticas.
Publicidad - Sigue leyendo debajo
Public Domain
La curva de la energía de enlace nuclear alcanza su máximo en el hierro y el níquel antes de volver a descender lentamente. Pero hay un pico estrecho y aislado en el helio debido a su impresionante estabilidad con una masa baja.
«El Sol funciona en un régimen de fusión muy diferente», explica Tang. «El tiempo de confinamiento es realmente grande en el sol ... [también hay] una probabilidad mucho menor para cada evento de fusión, pero eso está bien porque es tan enorme y hay tantos núcleos en el sol».
El sol experimenta 100 millones de cuatrillones de reacciones de fusión cada segundo, y ha estado experimentando esta forma de nucleosíntesis durante cinco mil millones de años. Dentro de otros cinco mil millones de años, el sol agotará el hidrógeno responsable de esas reacciones iniciales en la cadena protón-protón, y la estrella empezará a quemar helio, pasando así a ser una Gigante Roja (y teniendo el desafortunado efecto secundario de destruir la Tierra).
El Sol es un ejemplo impresionante de cómo lograr la fusión nuclear, pero hay algunos problemas que hacen que imitarlo sea imposible. Por un lado, la Tierra no tiene la masa suficiente como para depender de la gravedad para su confinamiento y, debido a esta deficiencia gravitatoria, cualquier reactor de fusión terrestre tendría que ser muchas veces más caliente que el sol para ser eficaz.
Los físicos e ingenieros nucleares llevan casi un siglo intentando superar estas limitaciones físicas, y han llegado básicamente a dos soluciones posibles. Una utiliza imanes, la otra, inercia.
Contener plasma es un asunto delicado. Esta sopa de electrones, protones y neutrones tiene que empujar el mercurio hasta al menos 100 millones de grados Celsius (para las reacciones de deuterio-tritio), pero conseguir un plasma tan caliente no es necesariamente lo más difícil. Asegurarse de que el plasma permanezca confinado y no toque nada más es otra historia.
“Para la fusión, hay que hacer tres cosas: juntar suficientes partículas, calentarlas lo suficiente y mantenerlas el tiempo suficiente para que se produzca la reacción”, explica el doctor Phil Ferguson, director del proyecto Material Plasma Exposure eXperiment (MPEX) del Laboratorio Nacional Oak Ridge. “Se necesita una solución material. Dame los materiales que puedan mantener esto unido, a temperatura, para que sea eficiente”.
El tokamak es una máquina de fusión de una sofisticación inimaginable. Diseñado por científicos de la Unión Soviética a finales de la década de 1950, el nombre “tokamak” es un acrónimo ruso de “cámara toroidal con bobinas magnéticas”. Toroidal es una forma física de decir “con forma de rosquilla”, pero lo más importante son las “bobinas magnéticas”. En su forma más básica, los tokamaks utilizan un conjunto meticulosamente diseñado de electroimanes, así como un pulso electromagnético en el propio plasma, para crear una reacción de fusión contenida, haciendo hincapié en la palabra “contenida”.
"No queremos que el plasma caliente entre en contacto con las paredes metálicas porque dañaría las paredes, pero también dañaría el plasma", explica el doctor Wayne Solomon, vicepresidente de la División de Energía de Fusión Vicromagnética de General Atomics. "No podrá mantenerlo caliente si toca algo frío”. (General Atomics opera el mayor tokamak de fusión de EE.UU., conocido como D-III D).
Hablando de algo frío, estos imanes son superconductores, lo que significa que no experimentan resistencia eléctrica alguna; teóricamente, una corriente eléctrica podría existir dentro de un superconductor para siempre. Sin embargo, muchos materiales superconductores sólo pueden funcionar a temperaturas cercanas al cero absoluto, o -273,15 grados centígrados. Así que los reactores de fusión magnética necesitan contener al mismo tiempo algunas de las temperaturas más extremas del universo.
“En el centro del dispositivo hay algo que puede ser diez veces más caliente que el centro del Sol”, explica Solomon. “Si continúas hacia la pared, estás alrededor de la temperatura ambiente, y luego llegas a los imanes reales, que están alrededor del cero absoluto”.
Los tokamaks y otras ideas de confinamiento magnético, conocidas como “stellarators”, difieren principalmente en cómo los imanes contienen el plasma, pero ambos funcionan sobre el principio subyacente de utilizar imanes superconductores para embotellar una estrella.
Entonces, una vez que se tiene este plasma suspendido y contenido dentro de una cámara de vacío, ¿cómo alimenta exactamente las luces de casa? Entre el plasma y los imanes hay una capa de tecnología complicada con un nombre sorprendentemente poco técnico: una manta. Pero estas “mantas” no son para acurrucarse. Por ejemplo, el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER) del sur de Francia, uno de los tokamaks más avanzados del planeta, utilizará 440 módulos de manta (de 4,6 toneladas cada uno) para transformar la energía de fusión en electricidad utilizable.
Recubiertas de berilio, estas mantas recogen la energía cinética de los neutrones y la convierten en calor (y también pueden generar tritio, más adelante hablaremos de ello). Ese calor se transfiere al agua refrigerante, que luego se utiliza en turbinas alimentadas por inducción electromagnética, que es como funcionan hoy en día todas las centrales eléctricas, ya sean de carbón o nucleares. Este es uno de los aspectos técnicamente más difíciles de la fusión por confinamiento magnético, porque interactúa directamente con el plasma.
“El plasma está a 100 millones de grados y se quiere contener en esta botella, pero si alguna vez se han visto imágenes del sol, se producen inestabilidades: salen pequeñas llamaradas”, explica Ferguson, que actualmente diseña materiales aptos para el plasma para el proyecto MPeX del ORNL. “A 100 millones de grados, esas llamaradas tocan esta pared. Sólo tienes que manejarlo durante un instante, pero incluso durante un instante, 100 millones de grados es bastante intenso.”
Más de 60 años después de su creación, los tokamaks siguen siendo considerados por muchos científicos de la fusión, así como por el Departamento de Energía de EE.UU., como el principal concepto de fusión magnética, ya que actualmente son los más adeptos a confinar el plasma y mantenerlo caliente, una característica imprescindible para cualquier futura central de fusión.
Pero hay otra idea de fusión que adopta un enfoque radicalmente distinto, y esta máquina ha sido capaz de lograr algo completamente inédito en el siglo de historia de la ciencia de la fusión.
El 5 de diciembre de 2022, los científicos de la instalación nacional de ignición del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (California) dispararon 192 láseres contra una pequeña pastilla y estrujaron el combustible de deuterio-tritio que contenía. Como muchas veces antes, el experimento de confinamiento inercial generó sólo unos pocos nanosegundos de fusión, pero esta vez, algo era diferente. Esta vez, el experimento sacó de la reacción más energía de la que había introducido.
La humanidad había logrado por fin la ignición.
“Parte de esa energía de fusión se detiene en el plasma y lo calienta aún más. ... Ahora, es aún más probable que haya más fusión”, dice Tang. “Es entonces cuando se produce la ignición, cuando la reacción de fusión empieza a producir más energía de la que utiliza el plasma”.
A diferencia de los reactores de confinamiento magnético, como los tokamaks y los stellarators, los de confinamiento inercial prescinden de los imanes y se basan en la implosión de la pastilla de combustible para mantener la reacción. Después de que los 192 láseres infrarrojos del NIF pasaran por una complicada serie de bancos láser y amplificadores de potencia, aumentando la energía combinada de los láseres hasta un petavatio (un cuatrillón de vatios), los haces se convirtieron en rayos ultravioleta que convergieron en una pequeña cápsula conocida como hohlraum (área hueca en alemán).
Esta cápsula sobrecalentada creó un baño de rayos X que finalmente comprimió la pastilla esférica de deuterio-tritio que había en su interior. Al colapsar a unos 250 kilómetros por segundo, la reacción de fusión se produjo antes de que el combustible pudiera desintegrarse, por lo que, en cierto sentido, el plasma quedó contenido por su propia inercia. La duración de esta “contención” fue de sólo 100 trillonésimas de segundo, pero lo suficiente para producir una cantidad significativa de energía.
This content is imported from youTube. You may be able to find the same content in another format, or you may be able to find more information, at their web site. . How NIF Works. Watch on
Durante el ya famoso disparo de ignición del NIF, la instalación suministró 2,05 megajulios (MJ) de energía al blanco y produjo 3,15 MJ, lo que significa que la reacción de fusión estuvo, durante un breve espacio de tiempo, alimentándose a sí misma. Aunque estas cifras parecen pequeñas, Tang sostiene que el resultado es aún más impresionante de lo que parece a primera vista.
Dado que la energía se pierde al convertir el láser ultravioleta en rayos X dentro del hohlraum, la cantidad real de energía utilizada para iniciar la reacción de fusión fue en realidad de unos 250 a 300 kilojulios, aproximadamente doce veces menos que la energía obtenida de la reacción. Mientras que el experimento NIF utiliza un proceso de accionamiento indirecto, otros reactores de confinamiento inercial están experimentando con accionamientos directos, que suministran la energía del láser directamente a la cápsula de deuterio-tritio (aunque estos conceptos también sufren otros tipos de pérdidas de energía).
Todo este proceso dura mucho menos que un abrir y cerrar de ojos, por lo que cualquier futuro reactor comercial basado en esta tecnología utilizaría este mismo proceso pero emitiría unas 10 de estas miniexplosiones por segundo, creando esencialmente soles microscópicos durante sólo unos pocos nanosegundos cada vez.
“La tecnología del NIF es de los años 80 y 90... y no se requería que funcionara 10 veces por segundo”, explica Tang, quien subraya que una de las principales misiones del láser era probar armas nucleares, no crear la próxima generación de energía limpia. “NIF no es eficiente... si quieres ir 10 veces por segundo, usarías diodos láser”.
Por suerte, ya existe un láser que puede emitir esos 10 haces por segundo, y se llama High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System (HALPS). Dado que el NIF está diseñado con tecnología de lámpara de destello, el sistema requiere un importante periodo de enfriamiento entre usos. HALPS, en cambio, utiliza diodos láser avanzados para suministrar la misma cantidad de energía sin apenas refrigeración.
Xcimer Energy, con sede en Denver, está plenamente comprometida con el enfoque de fusión inercial, centrándose en la potencia de los propios láseres. El equipo espera crear el láser más grande del mundo, basado en la tecnología diseñada originalmente en la Iniciativa de Defensa Estratégica de “La Guerra de las Galaxias” de los años ochenta. Esta máquina será un láser de fluoruro de criptón que es una combinación de óptica de “gas” y amplificadores de láser eximérico, que ya se utilizan en la litografía de semiconductores y otras aplicaciones industriales. Según un comunicado de prensa de junio de 2024, los resultados (esperemos) bombearán haces de alta energía que producirán “una energía láser 10 veces superior con una eficiencia 10 veces mayor y un coste por julio 30 veces inferior al del sistema láser de la National Ignition Facility (NIF)”.
Pero aún queda un largo camino de avances, mejoras de la eficiencia y ciencia de materiales revolucionaria antes de que el avance de la ignición de la NIF se transforme en una central eléctrica de confinamiento inercial. Pero tras lograr por fin la ignición, la historia de la fusión inercial se encamina hacia una nueva era.
"Esto es sólo el final del principio", afirma Tang. "Aún queda mucho por hacer".
Como en muchos desafíos de ingeniería, las cosas no son tan blancas y negras como "equipo imán" y "equipo inercia". Algunas propuestas, como la fusión magneto-inercial, toman prestado un poco de ambas, mientras que algunos conceptos de fusión inercial, como la fusión inercial con revestimiento magnetizado, añaden un poquito de magnetismo para mantener las reacciones de fusión inercial durante más tiempo.
Con la ignición finalmente conseguida, la física demuestra que embotellar las estrellas en nuestros planetas es posible, pero ¿podemos desarrollar los materiales exóticos y la increíble tecnología para hacerlo posible?
"Es muy importante mantener el núcleo de fusión y conseguir el máximo rendimiento posible para que el dispositivo sea lo más eficiente, compacto y rentable posible", afirma Solomon. "Ahora es el momento de redoblar los esfuerzos en el aspecto tecnológico".
Por un lado, los ingenieros siguen intentando construir una manta que funcione, la tecnología que esencialmente convierte toda esta bondad de la fusión en electricidad que podemos utilizar. En segundo lugar, los científicos están desarrollando materiales capaces de resistir las intensas temperaturas de estas máquinas, ya sean tokamaks, stellarators o reactores de confinamiento inercial. “Todavía nos falta un gran avance en los materiales”, afirma Ferguson.
Aparte de las tecnologías de captura de neutrones y los materiales de alta tecnología, los científicos e ingenieros de la fusión aún tienen que averiguar cómo cerrar el ciclo del combustible de deuterio-tritio. Mientras que el deuterio abunda en la Tierra, el tritio es mucho más escaso. Fabricar más tritio podría hacer que los reactores fueran económicamente viables y más eficientes, dos cosas que cualquier reactor de fusión necesita si espera salir del laboratorio.
Entretanto, el interés por el potencial de la energía de fusión es cada vez mayor. La inversión en tecnología de fusión se disparó en 2022, y las empresas privadas están empezando a investigar formas de llevar esta tecnología al mercado.
General Atomics también anunció en octubre de 2022 sus planes de construir una planta piloto de fusión. Está previsto que el ITER, el mayor reactor de fusión de confinamiento magnético, alcance el “primer plasma” en 2025. El sucesor del ITER, denominado central de demostración (DEMO), ya está en construcción, y está diseñado para salvar la distancia entre los experimentos en laboratorio y la energía comercializada. Sin embargo, no está previsto que este proyecto entre en funcionamiento hasta la década de 2050.
Mientras tanto, reactores de todo el mundo, como el Joint European Torus (JET) en el Reino Unido, el tokamak JT-60SA en Japón y el D-III D en Estados Unidos siguen investigando los misterios desconocidos de la fusión.
Pero ese futuro se acerca.
"Ésta es la energía del universo”, afirma Tang. “Si descubrimos cómo aprovecharla de forma eficaz y eficiente, esto es todo. Es el fin. Es la solución. Todo lo que entendemos sobre el funcionamiento del universo lo hemos descubierto ahora para aprovechar su fuente fundamental de energía. Tenemos que seguir empujando hacia adelante".
02/11/2024
Darren Orf
Contributing Editor
_________________________
Darren lives in Portland, has a cat, and writes/edits about sci-fi and how our world works. You can find his previous stuff at Gizmodo and Paste if you look hard enough.
___________
Fuente:
