Científicos de un laboratorio de Inglaterra han batido el récord de energía producida durante una reacción de fusión controlada y sostenida. La producción de 59 megajulios de energía en cinco segundos en el experimento Joint European Torus (JET) en Inglaterra ha sido calificado como «un gran avance» por algunos medios de comunicación y causó mucho revuelo entre los físicos. Pero una línea común respecto a producción de electricidad por fusión es que es « siempre a 20 años vista

Somos una físico nuclear y un ingeniero nuclear que estudian cómo desarrollar la fusión nuclear controlada con el fin de generar electricidad.

El resultado del JET demuestra un avance notable en la comprensión de la física de la fusión. Pero igual de importante es que demuestra que los nuevos materiales utilizados para construir las paredes interiores del reactor de fusión han funcionado como estaba previsto. El hecho de que la nueva construcción de las paredes haya funcionado tan bien es lo que separa estos resultados de los hitos anteriores y eleva la fusión magnética de un sueño hacia una realidad.

Un diagrama que muestra la fusión de dos partículas y los productos resultantes.
Los reactores de fusión hacen chocar dos formas de hidrógeno (arriba) para que se fusionen, produciendo helio y un electrón de alta energía (abajo). Wykis/WikimediaCommons

Fusión de partículas

La fusión nuclear es la unión de dos núcleos atómicos en un núcleo compuesto. Este núcleo se rompe y libera energía en forma de nuevos átomos y partículas que se alejan a gran velocidad de la reacción. Una central de fusión capturaría las partículas que se escapan y utilizaría su energía para generar electricidad.

Hay algunos diferentes formas de controlar con seguridad la fusión en la Tierra . Nuestra investigación se centra en el enfoque adoptado por el JET: utilizar potentes campos magnéticos para confinar átomos hasta que se calienten a una temperatura lo suficientemente alta como para que se fusionen.

El combustible de los reactores actuales y futuros son dos isótopos diferentes de hidrógeno, lo que significa que tienen un protón, pero diferente número de neutrones, llamados deuterio y tritio . El hidrógeno normal tiene un protón y ningún neutrón en su núcleo. El deuterio tiene un protón y un neutrón, mientras que el tritio tiene un protón y dos neutrones.

Para que una reacción de fusión tenga éxito, los átomos del combustible deben calentarse tanto que los electrones se separen de los núcleos. Esto crea un plasma, un conjunto de iones positivos y electrones. Luego hay que seguir calentando ese plasma hasta que alcance una temperatura superior a los 200 millones de grados Fahrenheit (100 millones de Celsius). Este plasma debe mantenerse en un espacio confinado a altas densidades durante un periodo de tiempo suficientemente largo para que el que los átomos de combustible choquen entre sí y se fusionen .

Para controlar la fusión en la Tierra, los investigadores desarrollaron dispositivos con forma de donut… llamados tokamaks -que utilizan campos magnéticos para contener el plasma. Las líneas de campo magnético que envuelven el interior del donut actúan como las vías del tren que siguen los iones y los electrones . Al inyectar energía en el plasma y calentarlo, es posible acelerar las partículas de combustible a velocidades tan altas que, cuando chocan, en lugar de rebotar unas contra otras, los núcleos de combustible se fusionan. Cuando esto ocurre, liberan energía, principalmente en forma de neutrones rápidos .

Durante el proceso de fusión, las partículas de combustible se alejan gradualmente del núcleo caliente y denso y acaban colisionando con la pared interior de la vasija de fusión. Para evitar que las paredes se degraden debido a estas colisiones -lo que a su vez también contamina el combustible de fusión- los reactores se construyen de forma que canalizan las partículas desviadas hacia una cámara fuertemente blindada llamada desviador. Éste bombea las partículas desviadas y elimina el exceso de calor para proteger el tokamak.

Una gran y complicada máquina de tubos y electrónica.
El experimento de fusión magnética JET es el mayor tokamak del mundo. EFDA JET/WikimediaCommons, CC BY-SA

Las paredes son importantes

Una de las principales limitaciones de los reactores anteriores ha sido el hecho de que los desviadores no pueden sobrevivir al bombardeo constante de partículas durante más de unos segundos. Para que la energía de fusión funcione comercialmente, los ingenieros tienen que construir una vasija de tokamak que sobreviva durante años en las condiciones necesarias para la fusión.

La pared del desviador es la primera consideración. Aunque las partículas de combustible están mucho más frías cuando llegan al desviador, todavía tienen suficiente energía para desprender los átomos del material de la pared del desviador cuando chocan con él . Anteriormente, el desviador de JET tenía una pared de grafito, pero el grafito absorbe y atrapa demasiada cantidad de combustible para su uso práctico .

Alrededor de 2011, los ingenieros de JET mejoraron el desviador y las paredes interiores de la vasija con tungsteno. Se eligió el tungsteno, en parte, porque tiene el punto de fusión más alto de todos los metales, una característica muy importante cuando el desviador puede sufrir cargas de calor casi 10 veces más alto que el cono de la nariz de un transbordador espacial reentrando en la atmósfera terrestre. La pared interior de la vasija del tokamak se ha cambiado de grafito a berilio. El berilio tiene excelentes propiedades térmicas y mecánicas para un reactor de fusión. absorbe menos combustible que el grafito, pero sigue soportando las altas temperaturas .

La energía producida por el JET es lo que ha dado lugar a los titulares, pero nosotros sostenemos que es el uso de los nuevos materiales de las paredes lo que hace que el experimento sea realmente impresionante, ya que los futuros dispositivos necesitarán estas paredes más robustas para funcionar a alta potencia durante períodos de tiempo aún más largos. JET es una prueba de concepto exitosa de cómo construir la próxima generación de reactores de fusión.

Un dibujo de un reactor con muchas salas a su alrededor.
El reactor de fusión ITER, visto aquí en un diagrama, va a incorporar las lecciones del JET, pero a una escala mucho mayor y más potente. Laboratorio Nacional de Oak Ridge, ITER Tokamak and Plant Systems/WikimediaCommons, CC BY

Los próximos reactores de fusión

El tokamak JET es el mayor y más avanzado reactor de fusión magnética que funciona actualmente. Pero la siguiente generación de reactores ya está en marcha, sobre todothe ITER experimentque comenzará a funcionar en 2027. ITER, que en latín significa «el camino», es en construcción en Francia y financiado y dirigido por una organización internacional que incluye a Estados Unidos.

El ITER va a poner en práctica muchos de los avances materiales que el JET demostró que eran viables. Pero también hay algunas diferencias clave. En primer lugar, el ITER es enorme. La cámara de fusión es 37 pies (11,4 metros) de altura y 63 pies (19,4 metros) de circunferencia, más de ocho veces mayor que el JET. Además, el ITER utilizará imanes superconductores capaces de producir campos magnéticos más fuertes durante más tiempo en comparación con los imanes del JET. Con estas mejoras, se espera que el ITER bata los récords de fusión del JET, tanto en lo que respecta a la producción de energía como a la duración de la reacción.

También se espera que el ITER haga algo fundamental para la idea de una central de fusión: producir más energía de la que se necesita para calentar el combustible. Los modelos predicen que el ITER producirá unos 500 megavatios de potencia de forma continua durante 400 segundos, mientras que sólo consumirá 50 MW de energía para calentar el combustible. Esto significa que el reactor produjo 10 veces más energía de la que consumió -una gran mejora con respecto a JET, que requería aproximadamente tres veces más energía para calentar el combustible que la que produjo for its recent 59 megajulios de récord .

El reciente historial del JET ha demostrado que años de investigación en física del plasma y ciencia de los materiales han dado sus frutos y han llevado a los científicos a las puertas de aprovechar la fusión para la generación de energía. El ITER supondrá un enorme avance hacia el objetivo de las centrales de fusión a escala industrial.

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Crédito de la imagen: Rswilcox / Wikimedia Commons