El camino hacia el poder de fusión enfrenta láseres gigantes contra potentes imanes

El día en que los humanos puedan aprovechar la misma energía que ilumina las estrellas podría llegar antes de lo que se piensa: llegar allí liberaría abundante electricidad sin emitir gases de efecto invernadero.

Por Will Wade, Jonathan Tirone y David R BakerGráficos de Dave Merrill

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La humanidad está a punto de lograr algo fenomenal: aprovechar la misma fuente de energía que ilumina las estrellas para obtener energía casi ilimitada y libre de carbono. Los científicos han demostrado recientemente que el sueño de la fusión nuclear para generar energía es posible. Ahora, pasar de un experimento de laboratorio a construir una planta comercial será una carrera que enfrentará láseres gigantes contra potentes imanes.

Después de décadas de experimentos, han surgido dos diseños competitivos para plantas de fusión. Uno requiere láseres de alta intensidad para desencadenar una serie de reacciones que chocan los átomos muchas veces por segundo. El otro usaría imanes superfuertes para contener una nube de plasma que arde a más temperatura que el sol. Si bien en el reciente avance se utilizaron láseres, muchos expertos se muestran escépticos sobre las perspectivas comerciales. La mejor opción, dicen, son los imanes.

En diciembre, en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, una pequeña cápsula de combustible que contenía dos formas de hidrógeno fue atacada con láseres.

La reacción de fusión resultante generó más energía de la que introdujeron los láseres en el objetivo.

Lo que está en juego no podría ser mayor. Si los investigadores pueden hacer que la fusión funcione a escala, se abriría la puerta a plantas de energía que suministren electricidad barata y abundante día y noche sin emitir gases de efecto invernadero y sin peligro de fusión nuclear. La idea de recrear las condiciones extremas de las estrellas en una central eléctrica puede parecer sacada de ciencia ficción y, sin embargo, los expertos más optimistas dicen que sólo estamos a una década de ese umbral. Otros científicos lo sitúan dentro de 20 o 30 años.

"La fusión siempre ha sido el principal depredador de las tecnologías energéticas", dijo Bob Mumgaard, director ejecutivo de Commonwealth Fusion Systems. "Es un problema muy difícil con una gran recompensa".

La carrera ya está atrayendo apuestas de algunas de las personas más ricas del mundo. Jeff Bezos, Bill Gates y Peter Thiel son sólo tres de los multimillonarios que invierten en nuevas empresas. Los inversores y los gobiernos han invertido más de 4.800 millones de dólares en empresas que buscan la fusión, lideradas por Commonwealth Fusion, una startup surgida del Instituto de Tecnología de Massachusetts que ha conseguido 2.000 millones de dólares. TAE Technologies ha recibido más de 1.100 millones de dólares. La Fusion Industry Association está rastreando 33 nuevas empresas. Quince están enfocados en el enfoque magnético y ocho están trabajando en el diseño láser. El resto está siguiendo una variedad de otras tecnologías.

El camino será largo y complicado. Tanto el enfoque láser como el magnético enfrentan importantes desafíos técnicos, enigmas científicos y obstáculos de costos. Pero hacerlo bien significaría un tremendo avance para el mundo. Los desafíos climáticos a largo plazo de la humanidad serían mucho más manejables y el logro podría iniciar una nueva era para la energía y la ciencia.

Cómo funciona la fusión Mientras que las centrales nucleares actuales emplean fisión, es decir, que dividen los átomos, la fusión captura la energía producida cuando los átomos se fusionan. La fusión ya se utiliza para dar a las armas nucleares modernas su poder devastador, pero el objetivo es controlarla para satisfacer la demanda de energía civil.

Esa no es una tarea sencilla. Implica operar a temperaturas extremadamente altas, contener la reacción, capturar la energía y hacerlo todo mientras genera más electricidad de la que consume el proceso.

El gran avance Poco después de la medianoche del 5 de diciembre, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California enfocaron el láser más poderoso del mundo en una bolita de diamante del tamaño de un grano de pimienta llena de isótopos de hidrógeno. Disparó 192 rayos en tres pulsos cuidadosamente modulados.

Los rayos liberaron 2,05 megajulios de energía, desencadenando una reacción que fusionó el hidrógeno en helio y liberó 3,15 megajulios en el proceso; la diferencia, un poco más de un megajulio o aproximadamente la energía equivalente liberada por una granada de mano. Fue un logro que los científicos habían estado persiguiendo durante décadas. El hito, conocido como ganancia neta de energía, demostró que los humanos podían desbloquear el poder de las estrellas. Pero crear una planta comercial significaría tener que generar 1.000 veces esa cantidad de energía cada segundo, dijo Steven Cowley, director del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton.

"Construir un sistema tan sólido es un desafío", dijo Cowley.

Láseres El método láser utilizado en el laboratorio Lawrence Livermore se llama confinamiento inercial. La reacción generada fue increíblemente breve, aproximadamente tanto tiempo como el que tarda la luz en viajar una pulgada. Para producir energía las 24 horas del día, un sistema de fusión necesitaría repetir esto una y otra vez, hasta 10 veces por segundo.

Eso no es posible con los sistemas disponibles hoy en día, dijo Dylan Spaulding, científico senior de la Union of Concerned Scientists, que ha realizado investigaciones en el laboratorio de California. El láser de la Instalación Nacional de Ignición en Livermore es tan poderoso que solo se puede disparar una vez cada pocos días porque genera calor de alta intensidad que puede dañar el equipo.

"Tiendes a romper muchas cosas cuando llevas el sistema al límite", dijo.

¿Cuándo entregará electricidad a la red la primera planta de fusión?

Aún así, ese láser se construyó utilizando tecnología que data de la década de 1980 y ha habido numerosos avances desde entonces. Spaulding es optimista en cuanto a que los ingenieros puedan construir uno lo suficientemente fuerte y duradero para operar al nivel necesario para un sistema de fusión.

Un desafío mayor son las pastillas de combustible. La prueba NIF utilizó una bola de diamante llena de deuterio y tritio, dos isótopos de hidrógeno. Los funcionarios del laboratorio dijeron que se necesitan unos siete meses para producir los componentes y luego unas dos semanas para ensamblarlos. Se han negado a poner precio al trabajo, pero expertos externos han estimado que pueden costar desde unos pocos miles de dólares hasta 20.000 dólares cada uno. Esto es demasiado caro para una planta que probablemente necesitaría explotar casi 1 millón de pellets al día.

Imanes El enfoque competitivo utiliza imanes para contener una nube de plasma sobrecalentado que produce reacciones de fusión. La principal ventaja de este método sería que una vez logrado ese proceso, el plasma podría, en teoría, mantenerse en un estado estable produciendo energía durante décadas.

En los tokamaks experimentales, como el ITER, el plasma de deuterio y tritio queda atrapado y mantenido en su lugar principalmente por dos campos magnéticos.

Cuanto más tiempo permanezca estable este plasma, más fusión se producirá

"El enfoque magnético se presta a una escala mucho mayor, que es lo que se necesita para una planta de energía comercial", dijo Adam Stein, director de innovación en energía nuclear de The Breakthrough Institute.

El proceso de confinamiento magnético tendría que ser tan poderoso que pudiera controlar el plasma que arde tan caliente como el sol. Nadie ha logrado todavía hacer esto a las temperaturas extremas necesarias para producir energía positiva, o durante largos períodos de tiempo, pero los investigadores están logrando avances. Gran parte del avance se ha producido en torno al llamado diseño tokamak que se remonta a la Unión Soviética. En él, láseres y poderosos electroimanes están dispuestos alrededor de un recipiente con forma de rosquilla súper enfriado para mantener el plasma calentado en su lugar.

El método de fusión que las empresas están siguiendo

Es posible que Commonwealth Fusion Systems haya abordado uno de los desafíos clave, con un imán que, según afirma, es el más fuerte del mundo. Espera completar en 2026 un sistema de demostración utilizando un tokamak que podrá contener, durante hasta 30 segundos a la vez, plasma calentado que producirá energía neta, según el director ejecutivo Mumgaard. Una versión comercial podría estar lista a principios de la década de 2030, predice.

El diseño del tokamak también está en el corazón del Reactor Experimental Termonuclear Internacional, o programa ITER, cuya construcción en el sur de Francia costará más de 23 mil millones de dólares. Considerado el proyecto de investigación más grande de la historia, es ampliamente considerado como la mejor oportunidad del mundo para demostrar que la energía de fusión a gran escala es posible. Sus 35 países financiadores incluyen a China, la Unión Europea, India, Japón, Rusia, Corea del Sur y Estados Unidos, y todos los países tienen acceso a la propiedad intelectual que crea el ITER.

El proyecto ha estado plagado de desafíos inesperados. Justo cuando los investigadores comenzaron a resolver la logística interrumpida por la pandemia, la invasión rusa de Ucrania complicó el suministro de componentes críticos. En mayo, Bernard Bigot, jefe del proyecto durante mucho tiempo, falleció. Luego, en diciembre, se descubrieron grietas en componentes clave.

La racha de malas noticias significa que la demostración de la primera fusión del ITER no se llevará a cabo en 2025 como estaba previsto. Su nuevo Director General, Pietro Barabaschi, está elaborando un nuevo cronograma y presupuesto que se espera se presenten a finales de año.

Camino por delanteQuedan numerosos desafíos.

La industria todavía está evaluando diferentes combustibles y aún tiene que decidir cuál ofrecerá el camino más fácil hacia una planta de energía. Commonwealth, junto con varias otras empresas, está utilizando los mismos isótopos de hidrógeno que se utilizaron en la prueba de Livermore: deuterio y tritio. Otros están probando combustibles a base de boro.

Commonwealth Fusion Systems, que está construyendo una central eléctrica compacta de tokamak, recaudó más de 1.800 millones de dólares en 2021

Decidir sobre una fuente de combustible también ayudará a determinar qué materiales se necesitan para las paredes del reactor y otros componentes. Cada diseño deberá soportar altas temperaturas, pero el uso de deuterio y tritio también significa que las empresas deben esperar que sus máquinas se vuelvan radiactivas. Entonces, si bien la fusión no produce desechos de combustible gastado como en la fisión, la máquina en sí, cuando finalmente sea desmantelada, podría producir toneladas de desechos.

Y todavía no se ha construido ningún sistema que pueda capturar la energía de una reacción de fusión y convertirla en electricidad.

En última instancia, lograr que toda la tecnología sea adecuada traerá enormes recompensas para el planeta.

"Tenemos una oportunidad climática real", dijo Jane Hotchkiss, cofundadora y presidenta de Energía para el Bien Común, una organización sin fines de lucro en las afueras de Boston que sienta las bases para una amplia aceptación social de la energía de fusión.

La gente debería seguir de cerca las nuevas empresas de hoy, "sabiendo que incluso si sólo siete de ellas alcancen sus hitos en los próximos 10 años, será una hazaña muy impresionante", dijo, y agregó que si bien el cronograma puede parecer lento, "todas estas Los pasos graduales son importantes”.

Editor: Millie Munshi