Podría proporcionar una fuente de energía barata, segura, limpia, abundante y confiable para la humanidad, pero hasta ahora la fusión nuclear se ha mantenido increíblemente fuera de su alcance..

A pesar de ser un reemplazo teórico para la producción de combustible fósil y energía de fisión nuclear durante más de 60 años, la fusión nuclear todavía no se ha hecho comercialmente posible en las centrales eléctricas. Entonces, ¿qué está tomando tanto tiempo??

El Sol, como todas las estrellas, es un gran reactor de fusión nuclear (Crédito: NASA)

¿Qué es la fusión nuclear??

Mientras que en los reactores nucleares que hemos tenido desde la década de 1950 los átomos se dividen en dos para producir energía, la fusión nuclear ve la fusión de dos isótopos de hidrógeno para producir mucha más energía. Usted puede ver los reactores de fusión nuclear masiva en cualquier momento que lo desee, simplemente saliendo al exterior en un día soleado, o de noche, y mirando hacia arriba..

Todas las estrellas, incluido el Sol, son reactores de fusión nuclear natural, pero las enormes fuerzas de la gravedad son difíciles de replicar aquí en la Tierra..

Aunque los reactores de fusión nunca han ido más allá de la fase experimental, los investigadores han alcanzado temperaturas de alrededor de 100 millones de grados. El problema es que han tenido que poner más energía de la que han salido, lo que hace que la fusión nuclear, hasta el momento, no sea comercial..

¿Es peligrosa la fisión nuclear??

Los combustibles fósiles están calentando nuestro planeta y la fisión nuclear produce residuos tóxicos radioactivos..

Mientras tanto, los reactores de fusión nuclear, que son donas (Tokamak) o recipientes de plasma en forma de esfera (una nube de protones, neutrones y electrones que se considera el "cuarto estado" de la materia) suspendidos por campos magnéticos, producen niveles bajos de radioactividad. no vienen con riesgo de derretirse, y su materia prima no es un uranio súper raro. En su lugar, usan mucho más deuterio y tritio..

Lamentablemente, el proceso central que produce la energía está resultando muy difícil de domesticar..

Todas las estrellas son reactores de fusión nuclear (Crédito: Jamie Carter)

El problema central

Producir energía de fusión controlada es tremendamente difícil. El problema central que aflige a los científicos nucleares es la física del plasma. En un reactor de fusión, el plasma necesita ser calentado a por lo menos 100 millones de grados y forzado a colisionar usando electroimanes.

Lamentablemente, el plasma es inestable e impredecible, por lo que las colisiones importantes son difíciles de forzar.

"Queremos que el flujo de plasma sea suave, pero a diferencia de un gas regular, el plasma obedece leyes más complejas", dice el Dr. James Lambert de Applied Fusion Systems en Londres..

"En un gas, las interacciones entre las partículas son de corto alcance, y solo las colisiones entre las partículas tienen algún efecto ... en un plasma todas las partículas se cargan, por lo que se atraen, se repelen y se desvían entre sí a distancias largas, y las colisiones simples no desempeñan ningún papel".

La respuesta al enigma de la fusión nuclear es desarrollar modelos computarizados de plasma mucho más sofisticados, de modo que el comportamiento se pueda predecir y controlar. Eso es exactamente lo que está pasando ahora.

¿Qué está previniendo el gran avance??

Si la fusión nuclear es teóricamente posible, tiene una gran importancia y se está investigando en todo el mundo, lo que impide el gran avance.?

"Aquí está la cosa, nada", dice Lambert. "Las supercomputadoras finalmente están procesando los números lo suficientemente rápido para que podamos probar y validar diseños rápidamente, y los superconductores se han vuelto lo suficientemente baratos y fuertes para que ahora tengamos todas las piezas del rompecabezas, ahora necesitamos unir esas piezas", dice..

El gran problema en eso no es en realidad la fusión..

"Hay un dicho: la fusión es fácil, pero la física del plasma es difícil", dice Lambert. "Pero con el advenimiento de la supercomputación barata entendemos la física del plasma mejor que nunca".

Eso es exactamente lo que sucedió en el Centro de Ciencia y Fusión de Plasma en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), donde los investigadores modelaron las condiciones dentro de un reactor de fusión en un intento por hacer que el proceso sea autosuficiente. La tarea consumió 15 millones de horas de tiempo de procesamiento de la computadora, lo que puede explicar por qué el progreso es tan lento..

Proyectos mayores

El principal proyecto de fusión nuclear en el mundo es el Reactor Experimental Termonuclear Internacional Crónico (ITER), un proyecto de investigación internacional de 35 años en Saint Paul-lez-Durance, Francia, financiado por China, la UE, India, Japón, Corea del Sur, Rusia y los Estados Unidos..

Un contenedor de fusión magnética Tokamak con forma de rosquilla, está programado para comenzar experimentos con plasma en 2025, una década más tarde de lo planeado originalmente, con el objetivo de producir 500 megavatios de energía a partir de 50 megavatios de entrada.

Sin embargo, su presupuesto ya ha aumentado de US $ 5 mil millones a US $ 20 mil millones..

"Los tokamaks alcanzaron temperaturas más altas desde el principio, por lo que los investigadores abandonaron sus propios proyectos y dedicaron su tiempo a los tokamaks", dice Lambert..

"Un diseño de gran competencia, el estelarador, requiere un diseño tan contorsionado que solo ahora se han convertido en proyectos de investigación viables". Eso es exactamente lo que está sucediendo en el estelarador Wendelstein 7-X en el Instituto Max Planck de Física del Plasma (IPP) en Alemania.

ITER está intentando separar la física del plasma y comercializar el proceso (Crédito: EJF Riche)

Fusión de fondos

Enfrentados con tales costos pesados ​​y la sospecha de falta de progreso, ha aparecido una ola de nuevas empresas de fusión financiadas con fondos privados que se basan en las últimas ideas, entre ellas General Fusion de Canadá, Tri Alpha Energy y Helion Energy en los EE. UU., Y el Reino Unido. Applied Fusion Systems, Tokamak Energy y First Light Fusion: todos intentan descifrar la ciencia crítica y fabricar pequeños reactores de fusión nuclear.

"Tenemos plazos de entrega más cortos, por lo que podemos aplicar nuevos conocimientos rápidamente y avanzar hacia mejores diseños más rápidamente", dice Lambert.

"El problema con los grandes proyectos es que, para cuando se construyen, el conocimiento que informó que su diseño está obsoleto".

ITER utiliza un contenedor de fusión magnética Tokamak en forma de dona (Crédito: EJF Riche)

Problemas estructurales

Para que una industria dé un salto gigantesco en su tecnología requiere el tipo de liderazgo y enfoque que el sector nuclear simplemente no tiene.

Tras el incidente de Fukushima en Japón en 2011, hay una ola de opinión pública antinuclear, y los acuerdos internacionales vinculantes resultantes sobre las cuotas ambientales significan mucha burocracia. Nada de esto ayuda a la causa de la fusión..

También hay un gran problema de personal. "Hay una escasez crónica de habilidades en la industria nuclear", dice Matthew Sykes, Jefe de Energía y Energía Nuclear de Spencer Ogden, que recluta plantas nucleares..

"La contratación de candidatos calificados y calificados que también cuentan con autorización de seguridad nuclear es un desafío". Sykes agrega que hay una fuerza laboral que envejece, y muchos de los trabajadores que han ocupado puestos en el sector ahora están llegando al final de sus carreras.

Hecho en gran bretaña?

"La energía nuclear es un riesgo muy alto, se mueve lentamente, y se habla mucho pero hay muy pocos avances", dice Sykes, quien culpa en parte a la lentitud de los avances en la propiedad internacional de los proyectos..

Por ejemplo, el polémico proyecto Hinkley Point en el Reino Unido está financiado por intereses franceses y chinos. A pesar de eso, es el Reino Unido el que se encuentra en la pole position en la carrera por desarrollar reactores de fusión nuclear..

A pesar de los proyectos masivos en Estados Unidos y Francia, algunos piensan que es el Reino Unido el que está en la mejor posición para hacer de la fusión nuclear una realidad comercial. De hecho, el tokamak más grande del mundo está en el proyecto Joint European Torus (JET) en el Culham Center for Fusion Energy en Oxfordshire, Reino Unido..

"La mayoría de los británicos se sorprenden cuando les digo que el Reino Unido es el líder mundial en investigación de fusión", dice Lambert. "Estamos en la mejor posición posible para liderar el camino hacia una nueva revolución energética".

Las supercomputadoras son tan cruciales para la fusión como los nuevos reactores (Crédito: IBM)

Fusión nuclear en una década.?

Cuando obtengamos físicamente, la generación de energía de fusión nuclear dependerá principalmente no de los científicos, sino de los funcionarios públicos, que no son exactamente conocidos por su velocidad y agilidad administrativa..

"Los gobiernos no se mueven rápido cuando se trata de comprar nuevas centrales eléctricas", dice Lambert. "Mira a Hinkley Point".

Incluso si se tratara de una tecnología ya probada, la adopción masiva de la fusión nuclear y, por lo tanto, la solución a la crisis energética que se avecina en el mundo, probablemente tomará décadas. Pero la tecnología de fusión nuclear estará con nosotros antes de lo que pensamos. "Nos gustaría que se abriera camino en diez años", dice Lambert sobre las primeras centrales eléctricas basadas en fusión nuclear..

El mundo puede y esperará una fuente inagotable de energía limpia y libre de carbono, pero no sucederá mañana. Sin embargo, para una tecnología que siempre ha sido '20 años a partir de ahora ', tal vez una espera de una década sea una vida media que deberíamos empezar a entusiasmarnos..

  • La ruptura del reloj nuclear podría revolucionar la forma en que medimos el tiempo