¿Podemos lograr que funcione la fusión? Un análisis realista más allá de grandes promesas

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Updated on: 14 Dec 2020

En el núcleo del Sol, la fusión se produce bajo una intensa presión y con temperaturas de 15 000 000 °C . ¿Realmente podemos crear tales condiciones en la Tierra? ¡Resulta que sí podemos!

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Earthly soldando un sol

Existen muchos tipos de reactores de fusión y muchas empresas y laboratorios están trabajando en ellos . También hay propuestas para utilizar combustibles distintos del tritio y el deuterio . Para poder entrar en cierto nivel de detalle, pero a la vez mantener este artículo relativamente breve, solo cubriremos el tipo de reactor que lidera la carrera de la fusión nuclear en 2020: el Tokamak . Para explorar otros tipos, ¡consulte el capítulo ”Cuestiones pendientes”!

Los 3 requisitos necesarios para la fusión

El objetivo es claro: para que el deuterio y el tritio se fusionen, necesitamos hacer que sus núcleos entren en contacto, usando menos energía de la producida en la reacción de fusión.

Requisito 1: Plasma. Para que los núcleos de los átomos se toquen, primero necesitamos liberar los átomos de sus electrones. Esto se hace calentando la mezcla a más de 100 000 000 °C . Los electrones y núcleos resultantes flotan libremente formando un plasma . Al igual que el sólido, el líquido y el gas, el plasma es solo otro estado de la materia:

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Plasma: el cuarto estado de la materia

Requisito 2: Densidad: La densidad describe la cantidad de partículas que se compactan en un volumen específico. En el caso de la fusión, queremos introducir mucho deuterio y tritio dentro del reactor de fusión .

Requisito 3: ¿Confinamiento?: ¿Dónde vamos a conservar este plasma extremadamente caliente y altamente presurizado? Necesitamos un contenedor especial que pueda soportar estas condiciones durante un tiempo relativamente largo . La cantidad de tiempo que podemos confinar esta energía ha aumentado rápidamente en los últimos años, de 30 segundos en 2013 a 101,2 segundos en 2017 (todavía el récord en 2020) .

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Requisitos de la fusión

¿Cuándo se considera que un reactor de fusión es lo suficientemente bueno?

Hay dos objetivos generales en la investigación y la ingeniería de la fusión:

  1. Éxito científico: Los reactores producen más energía de la que necesitan para funcionar
  2. Energía barata: Los costos son lo suficientemente bajos y su rendimiento lo suficientemente alto como para que la energía se venda a bajo precio

Hasta ahora, ni siquiera hemos logrado el primer objetivo .

La relación entre la energía de entrada y la de salida a menudo se denomina “Q” .

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Producción neta de energía de fusión

Para incrementar Q, podemos hacer dos cosas:

  1. Usar menos energía
  2. Producir más energía

Resulta que, estas dos cosas están estrechamente relacionadas. A medida que hay más y más reacciones de fusión (es decir, producimos más energía), el plasma se calienta cada vez más. Esto significa que no necesitamos seguir invirtiendo tanta energía para calentarlo . En algún momento, ¡incluso podría seguir funcionando sin ningún aporte de calor externo!

Durante los últimos 60 años, los investigadores han trabajado en muchos métodos diferentes para conseguir que funcione bien . Lamentablemente, casi todos estos diseños están estancados en valores Q entre 0,0001 y 0,000001 . Sin embargo, hay un tipo (llamado ’Tokamak’) que ha logrado Q = 0,65 .

¡Veámos cómo funciona!

“Tokamak”: el dónut de la fusión

Image of Tokamak: del deuterio a la electricidad

Tokamak: del deuterio a la electricidad

Recuerda nuestros tres problemas:

  1. Calentar el plasma a alrededor de 100 000 000 °C .
  2. Densidad .
  3. Confinamiento del plasma de segundos a minutos .

El Tokamak satisface simultáneamente los requisitos de confinamiento y densidad utilizando campos magnéticos fuertes . Estos campos magnéticos fuerzan a los electrones de carga negativa y a los núcleos de carga positiva a moverse una y otra vez en una trayectoria con forma de dónut. Debido a que los imanes rodean el plasma, crean una alta presión que aumenta la densidad del plasma .

Respira hondo. Relájate, asegúrate de haber entendido lo anterior. Porque ahora analizaremos algunos de los problemas en los que trabajan los investigadores de fusión en la actualidad.

Image of ¡Dónut de energía!

¡Dónut de energía!

¿De dónde provienen el deuterio y el tritio?

El deuterio es fácil de encontrar y abundante: está en el agua del océano. Sin embargo, la naturaleza sólo produce unos pocos kilogramos de tritio cada año y no existe una "fábrica de tritio" . Los experimentos de fusión actuales lo suelen obtener de plantas de energía de fisión nuclear, donde el tritio se produce como desecho radiactivo . Pero, ¿de dónde lo sacaremos si dejamos de usar reactores de fisión?

Afortunadamente, existe una manera de que los reactores de fusión generen su propio tritio . En teoría, ¡podríamos reutilizar ese neutrón extra para producir más tritio a partir de deuterio! La reacción completa usa deuterio (1p1n) y litio-6 (3p6n) como insumos para producir helio :

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Producción del tritio

El uso de litio-6 para producir tritio en realidad introduce más energía al sistema . Hacer esto en la práctica es muy difícil, y es una de las áreas activas de investigación e incertidumbre en la energía de fusión .

¡¿Cómo podemos sacar energía del Tokamak?!

Por el momento, todo bien. Tenemos deuterio y tritio, podemos calentarlos y provocar la fusión. ¿Pero, cómo obtenemos la energía?

Recuerda, los neutrones no tienen carga. Los campos magnéticos solo interactúan con partículas cargadas. Esto significa que el campo magnético, por fuerte que sea, no puede contener los neutrones rápidos que salen de las reacciones de fusión.

Estos neutrones rápidos son el aspecto más valioso y más molesto de la fusión. Valiosos porque de su velocidad es de donde obtenemos la energía , y molestos porque dañan las paredes del reactor . ¿Cómo resolvemos esto?

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Manto fértil

En el gráfico (repetido) de arriba, verás una capa llamada manto fértil entre el plasma y los imanes. Los neutrones rápidos se ralentizan dentro del manto y su energía cinética se transfiere para calentarlo . El manto caliente, a su vez, se usa para calentar agua, que luego hace girar una turbina de vapor (como lo hacen las plantas de fisión nuclear y carbón).

Esto en teoría funciona, pero en la práctica es difícil construir un manto que sea eficiente y resistente al daño de los neutrones rápidos .

¿Cómo podemos mejorar los Tokamaks?

Aparte de los problemas relacionados con los mantos, todavía no hemos logrado Q > 1. Hay dos variables particularmente importantes en un reactor de fusión que podemos controlar para influir en la cantidad de energía que se libera en un reactor de fusión :

  1. R: El radio del Tokamak
  2. B: La fuerza del campo magnético

Entonces, ¿qué tamaño deben tener los reactores para llegar a valores Q razonables? ITER es el mayor experimento científico internacional jamás realizado con el objetivo de alcanzar Q = 10. ¿Qué tamaño tiene el reactor ITER?

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Reactor ITER

¿Puedes ver la persona en la parte inferior? Esta cosa es ENORME.

Debido a su tamaño, ITER ha costado decenas de miles de millones de dólares y está tardando décadas en construirse . ¿Recuerdas la gráfica Q de antes? ¿Te preguntas por qué se detuvo? ¡Ahora lo sabes! Los reactores se hicieron demasiado grandes, lo que significa que su construcción lleva demasiado tiempo.

Image of La fusión nuclear con el paso del tiempo

La fusión nuclear con el paso del tiempo

El número en el eje Y aquí es el llamado “producto triple de fusión”. Es un indicador aproximado de cuánta energía produce un reactor de fusión y se define como el producto de los tres atributos clave de cualquier reactor de fusión:

Image of Producto triple de fusión

Producto triple de fusión

ITER es un experimento científico, no un reactor comercial . Un reactor comercial probablemente necesitaría ser aún más grande . Claramente, aumentar el radio (R) no es prometedor. ¿Qué pasa con la fuerza del campo magnético (B)?

¿Podríamos hacer reactores más pequeños y más baratos usando imanes más fuertes?

Image of ITER vs ARC

ITER vs ARC

La inducción de un campo magnético requiere que pasemos una corriente a través de las bobinas electromagnéticas en el Tokamak. En la mayoría de los materiales, la corriente consume energía porque parte de la electricidad se pierde en forma de calor debido a la resistencia . Sin embargo, algunos materiales, llamados superconductores, tienen la capacidad de dejar pasar una corriente a través de ellos sin pérdida de calor, ya que no hay resistencia a la corriente.

Un trabajo reciente en un tipo de imán superconductor llamado REBCO (óxido de cobre y bario de tierras raras), ¡ha permitido que la fuerza del campo magnético, ’B’, casi se duplique ! El factor limitante es ahora la durabilidad del acero y del hormigón que mantienen todo unido (a plena potencia, los imanes destrozarían el reactor ).

El uso de imanes REBCO es probablemente un paso esencial en el camino hacia reactores de fusión asequibles con Q > 1 .

Es importante destacar que ITER todavía usa los superconductores viejos y más débiles .

Conclusión

La fusión siempre ha sido una "tecnología del futuro", pero realmente nos estamos acercando a Q = 1 .

Hay compañías privadas y laboratorios universitarios que están trabajando ahora para integrar imanes REBCO en los reactores de fusión Tokamak. Su progreso será un indicador crucial del potencial de la fusión , pero alcanzar Q > 1 no es el único problema en la investigación de la fusión.

Hay muchas cuestiones pendientes en la tecnología del manto fértil, la producción de tritio y la protección de los reactores. Esta es una enorme fuente de incertidumbre. Sin embargo, en las próximas décadas, es probable que descubramos si la fusión puede ser la fuente de energía limpia y abundante en que esperamos se convierta.

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