El laboratorio nacional desbloquea la fusión nuclear: ¿un verdadero avance, una ley de novedad o ambas cosas?

Primero histórico: dentro de la Instalación Nacional de Ignición, donde la semana pasada 192 rayos láser dispararon una pastilla de combustible de hidrógeno, que emitió más energía de la que absorbió.

La fusión nuclear ha sido durante mucho tiempo el Santo Grial de la energía verdaderamente limpia. La colisión de átomos de hidrógeno promete electricidad ilimitada con cero emisiones de carbono, un mínimo de desechos radiactivos y cero posibilidades de una fusión catastrófica. Pero durante medio siglo los científicos de la fusión han estado limitados por el poder de sus láseres y la fuerza de sus campos magnéticos; nunca antes habían descubierto cómo extraer más energía de la que habían aportado a partir de la destrucción de sus átomos. Hasta ahora.

Hoy, los científicos de la Instalación Nacional de Ignición del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en California revelarán que a principios de diciembre, por primera vez, lograron lograr una ganancia de energía mayor que 1, es decir, se emitió más energía desde las reacciones dentro de su cápsula de combustible de deuterio-tritio (2.000 megajulios) que las contenidas en los 192 láseres con los que la dispararon.

Es un gran problema, que vale la pena celebrar, pero en cierto modo una conclusión inevitable, dice Debra Callahan, física del plasma que recientemente dejó el equipo de fusión de LLNL para convertirse en directora científica de la startup Focused Energy, que ya está trabajando para comercializar el enfoque.

Callahan sabía que LLNL lograría una ganancia neta de energía después de que el año pasado alcanzaran una producción de energía del 72% de sus entradas de energía láser. “No es una sorpresa para mí. Dado el camino de resultados que veníamos viendo, eso iba a suceder”, afirma. Sólo necesitaban un poco más de potencia láser.

¿Entonces, cómo funciona? En el laboratorio Laurence Livermore, en el centro de un laberinto de tubos de acero, cables metálicos y aparatos electrónicos extraños del tamaño de tres campos de fútbol, ​​hay un pequeño cilindro hueco hecho de oro que cabe en la palma de la mano. Eso se llama hohlraum. Dentro del hohlraum los científicos colocan una pequeña cápsula de combustible llena de deuterio y tritio, isótopos de hidrógeno de un solo protón.

El equipo del Proyecto Nacional de Ignición utiliza oro porque retiene los rayos X que se producen cuando explotan cada extremo del hohlraum con 192 de los láseres más potentes del mundo. Callahan dice: "Es como un horno de rayos X", que comprime el combustible tanto que implosiona y enciende la fusión entre los átomos en el centro de la cápsula. Luego, la fusión se propaga en una onda desde el centro, emitiendo un calor prodigioso: 2,5 megajulios en el caso del histórico disparo de la semana pasada. Todo esto sucede en una milmillonésima de segundo.

En el enfoque de la fusión por confinamiento inercial, rayos láser explotan una bolita que contiene isótopos de hidrógeno, iniciando una reacción de fusión.

¿Por qué Callahan dejó LLNL cuando estaban en la cúspide del éxito? Porque, dice, la Instalación Nacional de Ignición no es una máquina de fusión. El hohlraum es excelente para demostrar la ignición, pero no es necesariamente lo suficientemente eficiente para diseñar una fusión pulsada continua porque se pierde mucha energía láser residual al calentar el oro en lugar del combustible de hidrógeno. Entonces, en Focused Energy (respaldado por Prime Movers Lab y New Enterprise Associates) su plan es descartar el hohlraum y en su lugar utilizar un enfoque de “impulsión directa”: disparar los láseres directamente sobre una cápsula de combustible (ver esquema).

Todavía no han demostrado que funcione, pero Callahan confía en que en un par de años su proyecto piloto logrará una ganancia de energía diez veces mayor. A esto le seguirá una segunda planta que alcanzará una ganancia de 30 veces, seguida de lo que a finales de la década de 2030 sería su primer generador comercial, que con suerte logrará una ganancia de energía de 100 veces y explotará 10 cápsulas de combustible por segundo.

Pero ahí radica un desafío particular. A 10 por segundo, su máquina utilizaría casi 900.000 cápsulas al día. Esto no es como echar carbón en un horno; cada cápsula tendría que fabricarse según estándares exigentes e inyectarse en la máquina en el momento perfecto.

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¿Es eso realista? Algunos competidores de la fusión no lo creen así. General Fusion es una empresa de fusión con sede en Vancouver, Canadá, que ayer anunció su propio hito. Su enfoque se llama fusión de objetivos magnetizados e implica una máquina en la que inyectan una bola de plasma de hidrógeno en la máquina y utilizan potentes imanes para sujetarla mientras la comprimen con pistones mecánicos en lugar de láseres. El director ejecutivo, Greg Twinney, espera que la planta piloto que General Fusion está construyendo en el Reino Unido demuestre la fusión en 2027, y que el diseño comercial esté listo a principios de la década de 2030. “Cuando vemos noticias como ésta no nos sorprendemos”, afirma.

Pero no está amenazado, ya que el enfoque LLNL no se puede extrapolar a una planta de fusión en funcionamiento, que es lo que General Fusion (respaldado por 300 millones de dólares de Jeff Bezos, el CEO de Shopify SHOP, Tobias Lutke, y Temasek, entre otros) se propuso hacer desde el principio. "Todo lo que hacemos se centra en una central eléctrica comercial", afirma. "Si funciona en un experimento científico pero no es comercial, no nos interesa".

Máquina prototipo en desarrollo por General Fusion, con sede en Vancouver.

La noticia de LLNL generó una respuesta similar del director ejecutivo David Kirtley de la startup de fusión Helion, con sede en Seattle, respaldada por 600 millones de dólares de los magnates tecnológicos Peter Thiel, Sam Altman, Dustin Moskovitz, Reid Hoffman y Jeff Skoll. "Estamos entusiasmados de que hayan alcanzado sus hitos científicos con su máquina", dice Kirtley. Que es "un dispositivo de investigación no diseñado para producir electricidad". Por el contrario, el funcionamiento del generador de fusión de 60 pies de largo de Helion implica inyectar bolas de plasma en cada extremo, rompiéndolas entre sí en una reacción de 100 millones de grados controlada por intensos campos magnéticos. En el novedoso sistema de Helion, la energía liberada en las reacciones de fusión empuja continuamente contra su campo magnético de contención, que lo empuja hacia atrás, provocando oscilaciones "como un pistón", dice Kirtley, que generan una corriente eléctrica, que Helion captura directamente del reactor. sin necesidad de convertir el calor térmico en electricidad. (Para obtener más información, lea sobre la ley de inducción de Faraday).

Helion está construyendo su séptimo prototipo y diseñando el octavo, que Kirtley espera que sea el primer generador de fusión comercial, posiblemente conectado a la red eléctrica a finales de esta década, si todo va bien. Dice que los reguladores nucleares federales parecen dispuestos a someter su generador de fusión a las mismas reglas que los aceleradores de partículas y el tipo de máquinas de imágenes utilizadas en los hospitales.

Y hay muchas otras empresas que siguen el enfoque más establecido de la fusión: el concepto de tokamak, en el que se inyectan bolas de plasma en una cámara del reactor con forma de donut hueco, controlada por potentes campos magnéticos.

Commonwealth Fusion, una filial del MIT, busca perfeccionar el tokamak utilizando materiales superconductores de temperatura ultraalta que, según el director ejecutivo, Bob Mumgaard, les permitirá tener un dispositivo de fusión funcional para finales de la década. Lo mismo ocurre con General Atomics, con sede en San Diego (mejor conocida por inventar el dron Predator), que ha estado operando un tokamak para el Departamento de Energía durante décadas y está diseñando uno nuevo. GA también construyó posiblemente el imán más poderoso del mundo, llamado solenoide central, para el proyecto de fusión más grande del mundo, el ITER de 30 mil millones de dólares que se está construyendo en Francia.

Si las otras nuevas empresas de fusión se salen con la suya, ITER quedará obsoleto incluso antes de que se complete en algún momento de la próxima década. Para ampliar sus apuestas, GA (propiedad del multimillonario Neal Blue) se ha asociado con el Laboratorio Nacional Savannah River para fabricar pastillas de combustible para esfuerzos de fusión basados ​​en láser como LLNR y Focused Energy.

El enfoque tokamak para la fusión magnética implica un reactor con forma de donut hueco rodeado de potentes imanes.

Con quienquiera que hables en el campo de la fusión, sus críticas a los reactores de fisión nuclear establecidos desde hace mucho tiempo son las mismas. Las reacciones de fisión (en las que se rompen grandes átomos de uranio enriquecido) producen desechos radiactivos, incluido plutonio y actínidos peligrosos, que pueden utilizarse como armas. A diferencia de la fusión, que es difícil de iniciar y fácil de detener, las reacciones de fisión son fáciles de iniciar y difíciles de detener, lo que introduce el riesgo de fusiones catastróficas. Los diseños más nuevos, como el reactor de fisión Westinghouse AP1000, en construcción tanto en Estados Unidos como en China, cuentan con medidas de seguridad pasiva y son prácticamente a prueba de fusión.

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Algunos empresarios atómicos creen que la fisión es suficiente. Bret Kugelmass, fundador y director ejecutivo de Last Energy, se propuso hace cinco años diseñar el reactor nuclear más eficiente y económico del mundo. Antes de decidirse por su enfoque, Kugelmass, que ahora tiene 36 años, entrevistó a cientos de expertos de la industria nuclear (y puso las charlas en su podcast Titans of Nuclear) para recoger la sabiduría colectiva de la industria. Aunque tiene fe en el futuro a largo plazo de la fusión, Kugelmass determinó que la mejor apuesta del mundo para abandonar los combustibles fósiles era construir reactores de fisión modulares de la manera más simple, barata y segura posible. En su fábrica cerca de Houston, Last Energy está fabricando sus primeros pequeños reactores modulares de agua a presión, que utilizan componentes disponibles en el mercado, obtenidos a través de cadenas de suministro nucleares existentes, con tecnología que se ha perfeccionado a lo largo de décadas y se utiliza en más más de 300 reactores en todo el mundo.

Según Kugelmass, Last Energy ya ha vendido 10 de sus unidades de 20 megavatios a un cliente en Polonia, dos más a Rumania y un puñado a Gran Bretaña. Kugelmass dice que su propiedad intelectual no está en los componentes probados (cientos de buques de la Armada de EE. UU. han estado operando reactores de tamaño similar durante décadas) sino en cómo ensamblarlos todos y mantenerlos en funcionamiento. Sus reactores construidos en fábrica serán fáciles de transportar, instalar y operar en paralelo. Hasta ahora ha recaudado 24 millones de dólares liderado por Gigafund y espera que los primeros reactores en Polonia estén funcionando en 2025. Para financiar las máquinas, Last Energy celebra acuerdos de compra de energía a largo plazo que prometen a sus clientes décadas de energía nuclear sin emisiones de carbono a precios inferiores al mercado. precios. "Pudimos crear un nicho deseable que nadie buscaba", afirma Kugelmass. "Cruzamos toda la operación".

Por muy atractiva que pueda ser la promesa de embotellar el poder de las estrellas, si Kugelmass tiene razón, las realidades competitivas de la fisión establecida y confiable aún podrían relegar a su nueva prima de moda, la fusión, al basurero de heroicos fracasos tecnológicos durante otros 30 años. ¿Recuerdas Betamax, Google Glass y New Coke?