Path to Fusion Power enfrenta láseres gigantes contra potentes imanes

El día en que los humanos puedan aprovechar la misma energía que ilumina las estrellas podría llegar antes de lo que piensa: llegar allí liberaría abundante electricidad sin emitir gases de efecto invernadero.

Por Will Wade, Jonathan Tirone y David R Baker Gráficos por Dave Merrill

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La humanidad está en la cúspide de algo fenomenal: aprovechar la misma fuente de energía que ilumina las estrellas para obtener energía casi ilimitada y libre de carbono. Los científicos demostraron recientemente que el sueño, la fusión nuclear para la generación de energía, es posible. Ahora, pasar de un experimento de laboratorio a construir una planta comercial será una carrera que enfrentará láseres gigantes contra poderosos imanes.

Después de décadas de experimentos, han surgido dos diseños competitivos para plantas de fusión. Uno requiere láseres de alta intensidad para desencadenar una serie de reacciones que golpean los átomos entre sí muchas veces por segundo. El otro usaría imanes súper fuertes para contener una nube de plasma que arde más que el sol. Si bien se utilizaron láseres en el avance reciente, muchos expertos se muestran escépticos sobre las perspectivas comerciales. La mejor apuesta, dicen, son los imanes.

En diciembre, en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, una diminuta cápsula de combustible, que contenía dos formas de hidrógeno, fue atacada con rayos láser.

La reacción de fusión resultante generó más energía de la que introdujeron los láseres en el objetivo.

Lo que está en juego no podría ser más alto. Si los investigadores pueden hacer que la fusión funcione a escala, se abriría la puerta a plantas de energía que suministren electricidad barata y abundante día y noche sin emitir gases de efecto invernadero y sin peligro de fusión nuclear. La idea de recrear las condiciones extremas de las estrellas en una planta de energía puede sonar como algo sacado de la ciencia ficción y, sin embargo, los expertos más optimistas dicen que estamos a solo una década de ese umbral. Otros científicos lo fijan en 20 o 30 años a partir de ahora.

"Fusion siempre ha sido el principal depredador de las tecnologías energéticas", dijo Bob Mumgaard, director ejecutivo de Commonwealth Fusion Systems. "Es un problema muy difícil con una gran recompensa".

La carrera ya está atrayendo apuestas de algunas de las personas más ricas del mundo. Jeff Bezos, Bill Gates y Peter Thiel son solo tres de los multimillonarios que invierten en nuevas empresas. Los inversionistas y los gobiernos han invertido más de $ 4.8 mil millones en empresas que buscan la fusión, lideradas por Commonwealth Fusion, una nueva empresa escindida del Instituto de Tecnología de Massachusetts que obtuvo $ 2 mil millones. TAE Technologies ha recibido más de 1100 millones de dólares. La Fusion Industry Association está rastreando 33 nuevas empresas. Quince están enfocados en el enfoque magnético y ocho están trabajando en el diseño del láser. El resto está buscando una variedad de otras tecnologías.

El camino será largo y complicado. Tanto el enfoque del láser como el del imán se enfrentan a importantes desafíos técnicos, acertijos científicos y obstáculos de costos. Pero hacerlo bien significaría un tremendo avance para el mundo. Los desafíos climáticos a largo plazo de la humanidad serían mucho más manejables, y el logro podría lanzar una nueva era para la energía y la ciencia.

Cómo funciona la fusión Mientras que las plantas de energía nuclear de hoy emplean la fisión, separando los átomos, la fusión captura la energía producida cuando los átomos se fusionan. La fusión ya se usa para dar a las armas nucleares modernas su poder devastador, pero el objetivo es domesticarla para la demanda de energía civil.

Esa no es una tarea sencilla. Implica operar a temperaturas extremadamente altas, contener la reacción, capturar la energía y hacerlo todo mientras se genera más electricidad de la que consume el proceso.

el avance No mucho después de la medianoche del 5 de diciembre, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California enfocaron el láser más poderoso del mundo en una bolita de diamante del tamaño de un grano de pimienta llena de isótopos de hidrógeno. Disparó 192 rayos en tres pulsos cuidadosamente modulados.

Los rayos emitieron 2,05 megajulios de energía, lo que provocó una reacción que fusionó el hidrógeno en helio y liberó 3,15 megajulios en el proceso: la diferencia, un poco más de un megajulio o aproximadamente la energía equivalente liberada por una granada de mano. Fue un logro que los científicos habían estado persiguiendo durante décadas. El hito, conocido como ganancia de energía neta, demostró que los humanos podían desbloquear el poder de las estrellas. Pero crear una planta comercial significaría necesitar generar 1000 veces esa cantidad de energía por segundo, dijo Steven Cowley, director del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton.

"Construir un sistema tan robusto es un desafío", dijo Cowley.

Láseres El método láser utilizado en el laboratorio de Lawrence Livermore se llama confinamiento inercial. La reacción generada fue increíblemente breve, aproximadamente el mismo tiempo que tarda la luz en viajar una pulgada. Para producir energía las 24 horas del día, un sistema de fusión necesitaría repetir esto una y otra vez, hasta 10 veces por segundo.

Eso no es posible con los sistemas disponibles en la actualidad, dijo Dylan Spaulding, científico principal de la Unión de Científicos Preocupados, que ha realizado investigaciones en el laboratorio de California. El láser en la Instalación Nacional de Ignición en Livermore es tan poderoso que solo puede dispararse una vez cada pocos días porque genera calor de alta intensidad que puede dañar el equipo.

"Tiendes a romper muchas cosas cuando llevas el sistema al límite", dijo.

¿Cuándo entregará electricidad a la red la primera planta de fusión?

Aún así, ese láser se construyó con tecnología que data de la década de 1980, y ha habido numerosos avances desde entonces. Spaulding es optimista de que los ingenieros puedan construir uno lo suficientemente fuerte y duradero para operar al nivel necesario para un sistema de fusión.

Un desafío mayor son las pastillas de combustible. La prueba NIF utilizó una bola de diamante llena de deuterio y tritio, dos isótopos de hidrógeno. Los funcionarios del laboratorio dijeron que se necesitan unos siete meses para producir los componentes y luego unas dos semanas para ensamblarlos. Se han negado a poner una etiqueta de precio al trabajo, pero expertos externos han estimado que pueden costar entre unos miles de dólares y hasta $20,000 cada uno. Eso es demasiado costoso para una planta que probablemente necesite explotar casi 1 millón de gránulos por día.

Imanes El enfoque de la competencia utiliza imanes para contener una nube de plasma sobrecalentado que produce reacciones de fusión. La principal ventaja de este método sería que, una vez que se logre ese proceso, el plasma podría, en teoría, mantenerse en un estado estable produciendo energía durante décadas.

En tokamaks experimentales, como ITER, el plasma de deuterio y tritio queda atrapado y se mantiene en su lugar principalmente mediante dos campos magnéticos.

Cuanto más tiempo permanezca estable este plasma, más fusión tendrá lugar.

"El enfoque magnético se presta a una escala mucho mayor, que es lo que se necesita para una planta de energía comercial", dijo Adam Stein, director de innovación de energía nuclear en The Breakthrough Institute.

El proceso de confinamiento magnético tendría que ser tan poderoso que pudiera controlar el plasma que arde tan caliente como el sol. Nadie ha logrado aún hacer esto a las temperaturas extremas necesarias para producir energía positiva, o durante largos períodos de tiempo, pero los investigadores están logrando avances. Gran parte del avance se ha producido en torno al llamado diseño tokamak que se remonta a la Unión Soviética. En él, los láseres y los poderosos electroimanes se disponen alrededor de un recipiente en forma de rosquilla superenfriado para mantener el plasma calentado en su lugar.

Las empresas del método de fusión están buscando

Commonwealth Fusion Systems puede haber abordado uno de los desafíos clave, con un imán que dice es el más fuerte del mundo. Espera completar en 2026 un sistema de demostración utilizando un tokamak que podrá contener, durante hasta 30 segundos a la vez, plasma calentado que producirá energía neta, según el director ejecutivo Mumgaard. Una versión comercial podría estar lista a principios de la década de 2030, predice.

El diseño del tokamak también está en el corazón del programa ITER, cuya construcción en el sur de Francia está programada para costar más de $ 23 mil millones. Considerado el proyecto de investigación más grande de la historia, es ampliamente considerado como la mejor oportunidad del mundo para demostrar que la energía de fusión a gran escala es posible. Sus 35 países financiadores incluyen a China, la Unión Europea, India, Japón, Rusia, Corea del Sur y los EE. UU., y todos los países tienen acceso a la propiedad intelectual que crea el ITER.

El proyecto ha estado plagado de desafíos inesperados. Justo cuando los investigadores comenzaron a resolver la logística interrumpida por la pandemia, la invasión de Ucrania por parte de Rusia complicó el suministro de componentes críticos. En mayo, murió Bernard Bigot, jefe del proyecto durante mucho tiempo. Luego, en diciembre, se descubrieron grietas en componentes clave.

La racha de malas noticias significa que la demostración de la primera fusión de ITER no ocurrirá en 2025 como estaba previsto. Su nuevo Director General, Pietro Barabaschi, está elaborando un nuevo calendario y presupuesto que se espera que se presente a finales de año.

Camino por delanteQuedan numerosos desafíos.

La industria todavía está evaluando diferentes combustibles y aún tiene que decidir cuál ofrecerá el camino más fácil hacia una planta de energía. Commonwealth, junto con varias otras empresas, está utilizando los mismos isótopos de hidrógeno que se utilizaron en la prueba de Livermore, deuterio y tritio. Otros están probando combustibles a base de boro.

Commonwealth Fusion Systems, que está construyendo una planta de energía compacta tokamak, recaudó más de $ 1.8 mil millones en 2021

Decidir sobre una fuente de combustible también ayudará a determinar qué materiales se necesitan para las paredes del reactor y otros componentes. Cada diseño deberá resistir altas temperaturas, pero el uso de deuterio y tritio también significa que las empresas deben esperar que sus máquinas se vuelvan radiactivas. Entonces, si bien la fusión no produce desechos de combustible gastado como en la fisión, la máquina en sí, cuando finalmente se desmantela, podría producir toneladas de desechos.

Y aún no se ha construido ningún sistema que pueda capturar la energía de una reacción de fusión y convertirla en electricidad.

En última instancia, obtener toda la tecnología correcta traerá enormes recompensas para el planeta.

"Tenemos una oportunidad climática real", dijo Jane Hotchkiss, cofundadora y presidenta de Energy for the Common Good, una organización sin fines de lucro en las afueras de Boston que sienta las bases para una amplia aceptación social de la energía de fusión.

La gente debería seguir de cerca las nuevas empresas de hoy, "sabiendo que incluso si solo siete de ellas alcanzan sus hitos en los próximos 10 años, será una hazaña muy impresionante", dijo, y agregó que si bien la línea de tiempo puede parecer lenta, "todas estas los pasos incrementales son importantes".

Montaje: Millie Munshi