Unos científicos descubren la clave para la fusión nuclear, un superconductor que podría hacer realidad la energía ilimitada
El nuevo material podría ser clave para construir finalmente un reactor de fusión con éxito.
Por Manasee Wagh
15/02/2025
El mes pasado, un reactor de fusión de China logró contener plasma en estado estacionario durante más de 17 minutos, acercando un paso más a la humanidad a la consecución de una fuente de energía ilimitada, según un comunicado de prensa de la Academia China de las Ciencias. El Tokamak Superconductor Experimental Avanzado de Hefei es uno de los 40 reactores de fusión que se están desarrollando en todo el mundo. Todos ellos intentan recrear la energía del sol, aquí en la Tierra. Un reactor de fusión podría generar casi cuatro millones de veces más energía que la combustión de petróleo o carbón, según el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), organización de las Naciones Unidas que promueve el uso pacífico de la tecnología nuclear.
El plasma, un conjunto gaseoso de iones positivos y electrones errantes, es el cuarto estado de la materia e impulsa la fusión de las estrellas. Pero en un reactor de fusión, el plasma tiene que alcanzar los 100 millones de grados Celsius, unas 10 veces más caliente que el sol. Los gases están tan calientes que los electrones se liberan de su unión a los núcleos atómicos, la zona densa que contiene protones y neutrones en el centro de los átomos. Entonces, dos núcleos chocan entre sí y se fusionan en un único núcleo más pesado. Cada vez que se produce esta fusión, se libera una cantidad colosal de energía. Según el OIEA, unos pocos gramos de deuterio y tritio -átomos de hidrógeno que contienen neutrones adicionales y que alimentarían los tokamaks- producirían un terajulio de energía. Eso es aproximadamente lo que necesita una persona en un país desarrollado durante sesenta años.
Pero las reacciones de fusión no son sostenibles a menos que los científicos descubran cómo mantener estable el plasma.
La carga eléctrica inherente al plasma -formada por los iones cargados positivamente y los electrones cargados negativamente- significa que si el plasma toca algo, se enfría y se deshace, como el agua de un globo reventado. Para permitir reacciones de fusión controladas, los reactores huecos con forma de rosquilla llamados tokamaks contienen potentes imanes que confinan y comprimen la trayectoria del plasma, antes de arremolinarlo alrededor del tokamak para iniciar una reacción de fusión. Si los científicos consiguen que el plasma se mantenga estable durante el tiempo suficiente, cada reacción de fusión podría proporcionar suficiente calor para alimentar la siguiente, creando un ciclo perpetuo de creación de energía, el objetivo último de un motor de fusión sin carbono.
Hasta ahora, no disponemos de campos magnéticos lo bastante potentes y pequeños como para mantener una reacción durante más de unas milmillonésimas de segundo.
Recientemente, investigadores de Tokamak Energy, en el Reino Unido, probaron una novedosa tecnología de superconductores que podría ser revolucionaria para los tokamaks que luchan por contener el plasma. Un superconductor es un material que puede conducir la electricidad sin pérdida de energía cuando se enfría a cierta temperatura. Al no tener prácticamente resistencia eléctrica, un superconductor puede proporcionar la magia magnética que mantiene el plasma en su sitio. Los investigadores británicos unieron una fina capa de óxido de cobre y bario de tierras raras superenfriado, conocido como REBCO, a una cinta metálica de cobre que enrollaron cientos de veces. A continuación, hicieron pasar 1.000 amperios de corriente eléctrica por los devanados, creando un modelo de bobina de campo toroidal superconductora. Esta potente y compacta bobina de campo se utiliza para generar un campo magnético extremadamente potente en un reactor de fusión. Tokamak Energy espera presentar una oferta al Tokamak Esférico para la Producción de Electricidad del Reino Unido, que aspira a convertirse en una demostración práctica de un reactor de fusión.
Científicos del Plasma Science and Fusion Center del MIT trabajaron con Commonwealth Fusion Systems, la mayor empresa comercial de energía de fusión del mundo, para desarrollar la tecnología REBCO. Se trata de una sustancia similar a la cerámica que se convierte en superconductor a -253 grados Celsius, una temperatura fácilmente alcanzable en comparación con el cero absoluto, o -273 grados Celsius, que se requiere para los superconductores típicos. Lo único que necesita para enfriarse es nitrógeno líquido. Los científicos que investigan las propiedades del REBCO creen que podría hacer práctica la fusión nuclear porque produce un campo magnético intenso en un tokamak más compacto y de alta temperatura.
El doctor Zach Hartwig, investigador del MIT, ha estado trabajando en el programa de tecnología de superconductores, el reactor SPARC. Comparado con la anterior generación de superconductores, "REBCO abre la posibilidad de mejoras bastante profundas en el rendimiento y la ingeniería de los tokamak", afirma Hartwig en un correo electrónico.
Para lograr una fusión sostenible hay que conseguir ventajas en el ahorro de energía, tanto grandes como pequeñas.La tecnología SPARC puede ser unas 33 veces más pequeña que el largamente prometido Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER), que está sufriendo un costoso retraso de 10 años. Esto significa que, en general, SPARC utilizaría menos material y energía para funcionar, lo que daría lugar a un tokamak compacto y eficiente. Y aunque los requisitos de temperatura de REBCO no suponen un gran salto respecto a los materiales superconductores típicos, la pequeña diferencia es significativa, afirma Hartwig. Por un lado, es mucho más fácil enfriar los imanes, porque la conductividad térmica alcanza su punto máximo a la temperatura del nitrógeno líquido. Al mismo tiempo, la capacidad térmica aumenta unas 80 veces, lo que permite a los imanes tolerar el calor de más radiación dentro del tokamak. Esta capacidad de absorber más calor también ayuda a equilibrar cualquier defecto o error operativo, explica Hartwig.
Gracias a su alta tolerancia, el REBCO permitirá en teoría construir sistemas de imanes que puedan desmontarse y sustituirse más rápidamente cuando sea necesario. «Aún quedan retos de ingeniería, pero los cables e imanes REBCO iniciales han demostrado esta importante capacidad», afirma Hartwig.
Aún quedan obstáculos por superar, ya que los científicos continúan el viaje hacia la generación sostenible de energía de fusión. Los próximos pasos importantes de la investigación consisten en asegurarse de que el plasma puede crear suficiente calor mediante la fusión para proporcionar la energía necesaria para mantener las altas temperaturas necesarias.
Y aún no se ha resuelto el problema de la evacuación del calor. El calor extremo debe esparcirse e irradiarse fuera de las paredes de la cámara del tokamak para proteger los materiales del reactor. Por último, los científicos tienen que estudiar los materiales necesarios para construir plantas piloto de fusión y cómo podría evolucionar una planta con el tiempo. Es probable que los investigadores tengan que descubrir y desarrollar nuevos materiales, afirma Hartwig.
REBCO debería abrir la puerta a los siguientes pasos. Es difícil predecir con exactitud cuándo una fuente de energía de fusión nuclear operativa alimentará la Tierra. Pero, según el OIEA, podríamos empezar a ver resultados prácticos con un reactor prototipo en funcionamiento a partir de 2040.
Manasee Wagh
Editor de servicios
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Antes de unirse a Popular Mechanics, Manasee Wagh trabajó como reportera de un periódico, periodista científico, escritora de tecnología e ingeniera informática. Siempre está buscando maneras de combinar las tres mayores alegrías de su vida: la ciencia, los viajes y la comida.
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