Una cinta retorcida de gas de hidrógeno, muchas veces más caliente que la superficie del sol, ha dado a los científicos una visión tentativa de El futuro de la fusión nuclear controlada—Un Fuente teórica SO-Far de relativamente “limpio” y abundante energía que sería alimentada efectivamente por el agua de mar.
La cinta era un plasma dentro de Wendelstein 7-X de Alemania, un reactor de fusión avanzado que estableció un récord en mayo pasado al “embotellando” el plasma sobrecalentado durante 43 segundos. Eso es muchas veces más largo de lo que el dispositivo había logrado antes.
A menudo se bromea que Fusion está a solo 30 años de distancia, y siempre lo estará. Pero los últimos resultados indican que los científicos e ingenieros finalmente están ganando esa predicción. “Creo que probablemente ahora sean unos 15 a 20 años [away]”, Dice el ingeniero nuclear de la Universidad de Cambridge, Tony Roulstone, quien no estuvo involucrado en los experimentos de Wendelstein.” Los imanes superconductores [that the researchers are using to contain the plasma] están marcando la diferencia “.
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Y el último resultado de Wendelstein, aunque prometedor, ahora ha sido contrarrestado por investigadores británicos. Dicen que el gran reactor de fusión de Torus europeos conjuntos (JET) cerca de Oxford, Inglaterra, logró tiempos de contención aún más largos de hasta 60 segundos en experimentos finales antes de su jubilación en diciembre de 2023. Estos resultados se han mantenido en silencio hasta ahora, pero se publicarán en una revista científica pronto.
Según un Comunicado de prensa del Instituto Max Planck de Física de Plasma en AlemaniaLos datos aún no publicados hacen que los reactores de Wendelstein y Jet sean “líderes conjuntos” en la búsqueda científica para operar continuamente un reactor de fusión a temperaturas extremadamente altas. Aun así, el comunicado de prensa señala que el volumen de plasma de Jet era tres veces mayor que el del reactor de Wendelstein, lo que le habría dado a Jet una ventaja, una insinuación no tan sutil que, en todas las demás cosas iguales, el proyecto alemán debería considerarse el verdadero líder.
Esta amigable rivalidad destaca una competencia de larga data entre dispositivos llamados estelaradores, como el Wendelstein 7-X, y otros llamados Tokamaks, como Jet. Ambos usan diferentes enfoques para lograr una forma prometedora de fusión nuclear llamada confinamiento magnético, cuyo objetivo es encender una reacción de fusión en un plasma de los isótopos de hidrógeno deuteros y tritio de neutrones.
Los últimos resultados se producen después del exitoso ignición de fusión en 2022 en el National Ignition Facility (NIF) cerca de San Francisco, que utilizó un método de fusión muy diferente llamado confinamiento inercial. Investigadores allí aplicaron láseres gigantes a un perdigón de Deuterium y Tritio del tamaño de un guisante, lo que desencadena una reacción de fusión que emitió más energía de la que consumió. (Desde entonces, las réplicas del experimento han arrojado aún más energía).
El Departamento de Energía de los Estados Unidos comenzó a construir el NIF a fines de la década de 1990, con el objetivo de desarrollar el confinamiento inercial como alternativa a la prueba de bombas termonucleares, y la investigación para el arsenal nuclear de los Estados Unidos aún constituye la mayor parte del trabajo de la instalación. Pero el encendido fue un hito importante en el camino hacia la fusión nuclear controlada, un “santo grial” de ciencia e ingeniería.
“El logro 2022 de encendido por fusión las marcas de la fusión la primera vez que los humanos han podido demostrar una reacción de fusión ardiente autosuficiente controlada en el laboratorio, para iluminar una coincidencia y que convertirse en una hoguera”, dice el físico de plasma Tammy Ma del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, que opera el NIF. “Con cualquier otro intento de fusión antes, el partido iluminado se había esforzado”.
Sin embargo, el método de confinamiento inercial utilizado por el NIF, el sistema láser más grande y poderoso del mundo, no es más adecuado para generar electricidad (aunque parece incomparable para simular bombas termonucleares). El encendido en el perdigón de combustible emitió más energía que la que se puso en él por los láseres gigantes de 192 de NIF. Pero los láseres mismos tardaron más de 12 horas en cargarse antes del experimento y consumieron aproximadamente 100 veces la energía liberada por el pellet de fusión.
En contraste, los cálculos sugieren que una planta de energía de fusión tendría que encender unos 10 gránulos de combustible uno de cada dos, Continuamente, durante 24 horas al día para brindar un servicio a escala de servicios públicos. Ese es un inmenso desafío de ingeniería, pero uno aceptado por varias nuevas empresas de energía de fusión inercial, como Marvel Fusion en Alemania; Mientras tanto, otras nuevas empresas, como Xcimer Energy en los EE. UU.
MA admite que el enfoque de NIF enfrenta dificultades, pero ella señala que sigue siendo el único método de fusión en la Tierra que ha demostrado una ganancia de energía neta: “La energía de fusión, y particularmente el enfoque de confinamiento inercial de la fusión, tiene un gran potencial y lo es imperativo de que lo perseguemos“, Dice ella.
En lugar de encender gránulos de combustible con láseres, la mayoría de los proyectos de energía de fusión, como el Wendelstein 7-X y el reactor a reacción, han elegido un camino diferente a la fusión nuclear. Algunos de los más sofisticados, como el gigante Proyecto ITER Se construyen en Francia, son tokamaks. Estos dispositivos se inventaron por primera vez en la antigua Unión Soviética y obtuvieron su nombre de un acrónimo ruso para los anillos de plasma en forma de masa que contienen. Funcionan induciendo una potente corriente eléctrica dentro de la rosquilla de plasma sobrecalentado para que sea más magnético y evite que golpee y dañe las paredes de la cámara del reactor, el principal desafío para la tecnología.
Sin embargo, el reactor Wendelstein 7-X es un estelarador: utiliza un diseño relacionado, aunque más complicado, que no induce una corriente eléctrica en el plasma, sino que intenta controlarlo solo con potentes imanes externos. El resultado es que los plasmas en estelaradores son más estables dentro de sus botellas magnéticas. Los reactores como el Wendelstein 7-X apuntan a operar durante un período de tiempo más largo que los tokamaks pueden sin dañar la cámara del reactor.
Los investigadores de Wendelstein planean superar pronto un minuto y, finalmente, ejecutar el reactor continuamente durante más de media hora. “Realmente no hay nada en el camino para hacerlo más tiempo”, explica el físico Thomas Klinger, quien dirige el proyecto en el Instituto Max Planck de Física de Plasma. “Y luego estamos en un área donde nadie ha estado antes”.
Los resultados pasados por alto del reactor de chorro refuerzan el enfoque de confinamiento magnético, aunque todavía no es seguro si Tokamaks o estelaradores serán el ganador final en la carrera por la fusión nuclear controlada. El físico de plasma Robert Wolf, quien dirige la optimización del reactor de Wendelstein, cree que los reactores de fusión futuros podrían de alguna manera combinar la estabilidad de los estelaradores con la relativa simplicidad de Tokamaks, pero no está claro cómo: “desde una visión científica, todavía es un poco temprano para decir”.
Varias compañías privadas se han unido a la carrera de fusión. Uno de los proyectos más avanzados es de la firma canadiense General Fusion, con sede en Vancouver en Columbia Británica. La compañía espera que su Reactor de fusión no ortodoxoque utiliza una tecnología híbrida llamada Fusion Magnetized Target, o MTF, será el primero en alimentar la energía eléctrica a la red a mediados de los 2030 “, según su directora de estrategia Megan Wilson. “MTF es el equivalente de fusión de un motor diesel: práctico, duradero y rentable”, dice ella.
La Universidad de California, San Diego, el ingeniero nuclear George Tynan dice que el dinero privado está inundando el campo: “El sector privado ahora está poniendo mucho más dinero que los gobiernos, por lo que podría cambiar las cosas”, dice. “En estos problemas de ‘tecnología dura’, como los viajes espaciales, etc., el sector privado parece estar más dispuesto a correr más riesgos”.
Tynan también cita a Commonwealth Fusion Systems, un spin-off del Instituto de Tecnología de Massachusetts que planea construir Una planta de energía de fusión llamada arco en Virginia. El reactor de arco propuesto es un tipo de tokamak compacto que tiene la intención de comenzar a producir hasta 400 megavatios de electricidad, lo suficiente para alimentar alrededor de 150,000 hogares, a principios de la década de 2030 “, según un MIT News artículo.
Roulstone cree que los electromagnets superconductores cada vez más utilizados en los reactores de confinamiento magnético demostrarán ser una tecnología clave. Dichos imanes se enfrían con helio líquido a unos pocos grados por encima del cero absoluto para que no tengan resistencia eléctrica. Los campos magnéticos que crean en ese estado son muchas veces más poderosos que los creados por electromagnets regulares, por lo que brindan a los investigadores un mayor control sobre los plasmas de hidrógeno sobrecalentados. En contraste, Roulstone teme que el enfoque láser de fusión de NIF pueda ser demasiado complicado: “Soy escéptico sobre si el confinamiento inercial funcionará”, dice.
Tynan también es cauteloso con la fusión de confinamiento inercial, aunque reconoce que la encendido de fusión de NIF fue un avance científico: “Demuestra que se puede producir ganancia de energía neta a partir de una reacción de fusión”.
Él ve “física viable” en los enfoques de imán y láser para la fusión nuclear, pero advierte que ambas ideas aún enfrentan muchos años de experimentación y pruebas antes de que puedan usarse para generar electricidad. “Ambos enfoques todavía tienen desafíos de ingeniería significativos”, dice Tynan. “Creo que es plausible que ambos puedan funcionar, pero ambos tienen un largo camino por recorrer”.