Energía de fusión nuclear: ¿La solución libre de carbono para el futuro energético?

Unos 800.000 años después de que los humanos usaran y controlaran el fuego por primera vez, los científicos de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en Berkeley, California, encendieron un nuevo tipo de fuego por primera vez. El 5 de diciembre, una reacción de fusión nuclear produjo con éxito más energía de la que se necesitaba para comenzar. Entonces, parpadeó. Una fuente potencialmente ilimitada de energía libre de carbono apareció en el horizonte, pero el camino hacia la energía de fusión en la red eléctrica llevará tiempo.

El proceso de fusión, a diferencia de los reactores de fisión que se utilizan actualmente en la industria energética, no produce residuos radiactivos, lo que la convierte en la fuente de energía potencialmente más limpia de la historia. Los reactores de fusión tampoco presentan riesgo de fusiones que, aunque raras, son una preocupación importante con los reactores de fisión. Philosophical Transactions of the Royal Society, con sede en Oxford, Reino Unido, estima que la energía de fusión podría costar la mitad de lo que cuesta la electricidad generada por las instalaciones eólicas terrestres. En nuestras conversaciones con ejecutivos de nuevas empresas de fusión, describen grandes generadores que requieren miles de millones en inversiones de capital, así como pequeñas instalaciones que cabrían en una cuadra de la ciudad y su construcción costaría solo 500 millones de dólares. Ambos enfoques podrían aumentar la red distribuida emergente.

La ciencia ha trabajado durante casi 70 años para lograr la ignición por fusión. Por el contrario, el uso del fuego antes y durante los primeros humanos tardó alrededor de 400.000 años en convertirse en un lugar común en el registro arqueológico. Para usar el fuego como herramienta, los humanos primero tenían que esperar a que se produjera un fuego de forma natural y dominar el transporte de brasas, luego aprender a hacer sus propios fuegos usando pedernal y hierro o pirita, así como evitar asfixiarse en cuevas cerradas y evitar que el fuego se propague. más allá del hogar. Pensamos en esto como lecciones simples, pero tardaron cientos de miles de años en propagarse a través de nuestra especie.

En estos tiempos acelerados y conectados, el lento progreso de la fusión desde la década de 1950 representa un progreso inmenso; podemos estar a más de la mitad del camino para realizar el sueño. Los investigadores académicos creen que la fusión será comercialmente viable en la segunda mitad del siglo, como muy pronto.

¿Qué pasó el 5 de diciembre?

Al igual que los primeros humanos que trabajaron con pedernal en el frío y el viento para encender la yesca, los científicos de fusión han estado tratando de provocar una reacción que dure más de milisegundos. En resumen, quieren sacar más energía de la reacción encendida de la que ponen antes de que se apague el fuego. Las reacciones de fusión se encienden mediante láseres que apuntan a una pequeña pastilla de combustible en el reactor, que produce energía al obligar a los elementos a combinarse en otro elemento . En el caso del NIF, se fusionan dos isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio, liberando un átomo de helio, un neutrón libre y mucho exceso de energía, que podría usarse para calentar agua y generar electricidad.

“No quiero darles la sensación de que vamos a conectar el NIF a la red: definitivamente no es así como funciona esto”, dijo el director del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Kim Budil, en una conferencia de prensa el 13 de diciembre. “ La ignición es un primer paso, uno verdaderamente monumental que prepara el escenario para una década de transformación en la ciencia de alta densidad de energía y la investigación de fusión, y no puedo esperar a ver a dónde nos lleva”.

El experimento de diciembre del equipo del NIF utilizó 2,05 megajulios (MJ) de energía para generar 3,15 MJ de salida , o aproximadamente un 54 % más de energía que los 2,05 MJ que generaron la reacción. El problema aquí es que encender los bancos de láseres y la pérdida de energía a medida que se transfirió a los láseres requería 322 MJ de energía, 100 veces la energía de fusión generada. Sin embargo, cuando se mide sobre una base de entrada-salida directa , el 5 de diciembre representa un avance significativo, y los experimentos futuros se centrarán en reducir la energía necesaria para alimentar los láseres.

La fusión produce un plasma, una sopa de partículas cargadas tan calientes como el núcleo del sol. A continuación, la ciencia debe dominar el mantenimiento del fuego encendido y la contención y el uso del calor generado por la reacción de fusión.

¿Qué sucede después?

La misión del NIF es simular la energía creada por una explosión nuclear, no desarrollar reactores de fusión que generen electricidad. El Departamento de Energía anunció un plan de 10 años para desarrollar energía de fusión comercial en marzo pasado. La secretaria de Energía, Jennifer Granholm, dijo que la agencia acelerará la innovación en fusión al combinar la investigación del gobierno bajo un programa general, aunque el NIF puede seguir enfocado en proyectos de armas. Con más de 30 empresas privadas que persiguen la generación de energía de fusión, la acción principal puede tener lugar fuera de los laboratorios académicos y gubernamentales.

La generación de electricidad impulsada por fusión, que implica el manejo de temperaturas de hasta 150 millones de grados, debe resolver una variedad de problemas para ser comercialmente viable.

Mantener la reacción en marcha

Es posible que los primeros reactores de fusión deban volver a encenderse con frecuencia. Encontrar formas eficientes de inyectar diminutos gránulos adicionales de deuterio y tritio, el combustible para la reacción de fusión, en el reactor rápidamente será clave para maximizar la generación de energía y minimizar el tiempo de inactividad. Eventualmente, la fusión autosostenida, cuando el calor mantiene la reacción, mantendrá el reactor funcionando durante largos períodos. Las reacciones extendidas son clave para generar suficiente electricidad para mantener los niveles de energía de carga base necesarios para mantener a los hogares y negocios en la red durante todo el día.

Resolviendo la Contención de Plasma

Los plasmas de fusión se controlan y mantienen en su lugar mediante campos magnéticos. Cuando el campo de contención falla o se rompe, la reacción se detiene instantáneamente, por lo que la gestión eficiente del plasma y el sistema de contención es clave para generar energía de manera eficiente. Se están desarrollando varias configuraciones de reactores y diferentes combustibles, y más de una combinación puede tener éxito. El enfoque más popular es un reactor de anillo en forma de rosquilla como el NIF, conocido como tokomak. Los sistemas lineales que conducen la energía a una cámara central donde el plasma está contenido desde cada extremo representan una segunda estrategia, liderada por TAE Energy, que ha recaudado más de $ 800 millones en fondos hasta la fecha.

Sacar la energía de la reacción y ponerla en un generador eléctrico

Una vez que la reacción sea persistente y el plasma sea manejable, el problema de llevar el calor del reactor a un sistema de generación será clave para generar la mayor cantidad de electricidad posible. Calentar el agua poniéndola en contacto con el plasma a través de tuberías y utilizando un material fundido, como la sal para transferir el calor de la cámara de reacción a un generador, son dos opciones; pueden surgir otros.

Pero aquí nos encontramos con el problema de la contaminación por radiación en el entorno inmediato al reactor.

Prevención de daños causados ​​por neutrones

Recuerda que además de la energía generada, se produce un neutrón libre. Neutrones, que aceleran la ionización , lo que hace que los metales se vuelvan quebradizos, lo que aumenta la probabilidad de fallas y los costos de mantenimiento potencialmente altos. Es posible que sea necesario reemplazar partes del reactor con frecuencia para evitar fallas debido a que los componentes se han vuelto quebradizos.

Si bien la reacción de fusión en sí no produce desechos radiactivos, las tecnologías de fusión actuales, que permiten que escapen algunos de los neutrones producidos en la reacción, pueden hacer que la estructura del equipo del reactor y el edificio sean radiactivos. Este problema debe superarse antes de que la tecnología se vuelva omnipresente.

Hacer el «Combustible»

El tritio, el isótopo de hidrógeno utilizado en la reacción NIF, no se presenta naturalmente en grandes concentraciones. Debe ser criado en un reactor de fusión , donde los neutrones pueden convertir el litio en helio y tritio. Y eso es caro. Otros combustibles de reacción de fusión, como el boro, que utiliza TAE Energy, están disponibles en grandes volúmenes en la naturaleza. En todos los casos, es necesario desarrollar nuevos procesos y métodos de fabricación ambientalmente responsables para respaldar la generación de electricidad a largo plazo.

¿Cuándo llegará Fusion?

A pesar de las afirmaciones optimistas de las nuevas empresas de fusión de que proporcionarán energía comercial para 2035, es probable que la fusión tarde más en alcanzar ese objetivo. De hecho, no se espera que el proyecto de reactor de fusión más grande que apunta a generar electricidad en el mundo, el proyecto ITER de $ 22 mil millones que se está construyendo en St-Paul-lès-Durance, Francia, logre la ignición hasta 2035 . Sin embargo, el ritmo de inversión, por parte del gobierno y de partes privadas, se está acelerando. La Administración Biden ha hecho de la fusión una tecnología ancla en su plan de descarbonización y promociona la idea de que la fusión podría desempeñar un papel significativo en la producción de electricidad libre de carbono en los EE. UU. y en el mundo a fines de la década de 2030.

Es seguro decir, debido al estado de la investigación y al tiempo que lleva construir plantas de generación, que la fusión no formará parte de la infraestructura energética hasta la década de 2040 como muy pronto. Sin embargo, la historia muestra que a menudo sucede lo inesperado, y los científicos pueden resolver el problema antes. Mientras tanto, los hogares y las empresas deben continuar utilizando la electricidad de manera más eficiente para que el suministro disponible pueda respaldar la nueva demanda de energía, que se espera que se duplique para 2050.