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Conoce el potencial de la energía de fusión

Durante siglos, los seres humanos han soñado con utilizar el sol como una fuente de energía para sus actividades en el planeta Tierra. Pero no sólo se quiere recolectar energía solar, sino un día adquirirla de nuestro propio mini-sol.

Si somos capaces de resolver un conjunto complejo de problemas científicos y de ingeniería, la energía de fusión promete ser una fuente de energía que preservará el ambiente, además de ser segura e ilimitada. De sólo un kilo de deuterio extraído del agua por día se podría generar suficiente electricidad para alimentar a cientos de miles de hogares.

Desde la década de los 50, las investigadores han progresado bastante al tratar de forzar a los átomos de hidrógeno a fusionarse entre ellos en una reacción auto sostenible, así como una cantidad pequeña y demostrable de energía de fusión.

La comunidad científica señala dos desafíos importantes: mantener las reacciones durante largos períodos de tiempo y diseñar una estructura material para aprovechar la energía de fusión para la electricidad.

Así como los investigadores de Princeton Plasma Physics Lab, sabemos que probablemente no veremos la primera central eléctrica comercial de fusión hasta dentro de 25 años. Las demostraciones importantes de la factibilidad de la fusión se pueden lograr antes, y deben, de modo que la energía de fusión pueda ser incorporada en nuestros futuros planes energéticos.

A diferencia de otras formas para generar electricidad, como la energía solar, el gas natural y la fisión nuclear, la fusión no puede desarrollarse a pequeña escala y luego ampliarse. Hay varios pasos experimentales que toman mucho tiempo para llevarse a cabo. Pero el problema de la energía limpia y abundante será una llamada de atención importante para la humanidad en un futuro próximo. Sería una estupidez el no explotar por completo esta fuente de energía tan prometedora.

¿Y por qué recurrir a la energía de fusión?

En la fusión, se unen dos núcleos de átomos de hidrógeno, deuterio e isótopos de tritio. Esto es difícil de hacer ya que ambos núcleos están cargados positivamente, y por lo tanto se repelen entre sí. Sólo si se mueven muy rápido al chocar se rompen simultáneamente, se fusionan y por lo tanto liberan la energía que buscamos.

Esto sucede en el sol naturalmente. Pero aquí en la Tierra, utilizamos imanes potentes para contener gas caliente eléctricamente cargado de núcleos y electrones de deuterio y tritio. A este gas se le llama plasma.

El plasma es tan caliente (su temperatura supera los 100 millones de grados centígrados) que los núcleos cargados positivamente se mueven lo suficientemente rápido para superar su repulsión eléctrica y se fusionan. Cuando los núcleos se funden, forman dos partículas energéticas: una partícula alfa (el núcleo del átomo de helio) y un neutrón.

El calentamiento del plasma a una temperatura tan elevada requiere una gran cantidad de energía, que debe introducirse en el reactor antes de que pueda comenzar la fusión. Pero al ponerle en marcha, la fusión tiene el potencial de generar la energía suficiente para mantener su propio calor, lo que nos permite extraer el exceso de calor para obtener electricidad utilizable.

El combustible para la energía de fusión abunda en la naturaleza. El deuterio se consigue en el agua, y el reactor puede producir tritio a partir de litio. Y está al alcance de todos los países, en su mayoría independientes de los recursos naturales locales.

La energía de fusión es limpia. No emite gases de efecto invernadero, y produce sólo helio y un neutrón.

Es seguro, es poco probable de que ocurra una reacción fuera de control, como una «fusión» de fisión nuclear. Si algo no trabaja correctamente, el plasma se enfría y las reacciones de fusión se detienen.

Todos estos atributos han motivado su investigación durante décadas, y se vuelven aún más atractivos con el tiempo. Pero los aspectos positivos se igualan con el importante desafío científico de la fusión.

El progreso actual de la fusión

El progreso en la fusión se puede medir de dos maneras.

Primero, el tremendo avance para tener conocimientos básicos sobre las altas temperaturas del plasma. Los científicos tuvieron que desarrollar un nuevo campo de la física (la física del plasma) para concebir métodos que les permitan confinar el plasma en campos magnéticos fuertes.

Segundo, desarrollar las capacidades para calentar, estabilizar, controlar la turbulencia y medir las propiedades del plasma.

La tecnología necesaria también ha progresado. Hemos llegado lejos con los imanes, las fuentes de ondas electromagnéticas y los rayos de partículas para contener y calentar el plasma. También se han elaborado técnicas para que los materiales soporten el intenso calor del plasma durante los experimentos.

Es fácil de llevar las métricas que empujan la fusión hacia su comercialización.

La potencia de fusión que se ha generado en laboratorios es la siguiente:

La generación de energía de fusión aumentó de milivatios por microsegundos en los años setenta a 10 megavatios de potencia de fusión (en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton) y de 16 megavatios por un segundo ( En el Torus Europeo Conjunto en Inglaterra) en los años noventa.

Nuevos pasos para seguir investigando la energía de fusión

Ahora la comunidad científica internacional trabajan en comunión para construir un espacio donde seguir con la investigación de la fusión en Francia. De nombre ITER, esta planta generará cerca de 500 megavatios de energía de fusión térmica por alrededor de ocho minutos. Si este poder se convierte en electricidad, podría iluminar cerca de 150.000 hogares.

Este experimento, nos permitirá probar los aspectos claves de la ciencia y la ingeniería en la preparación de las plantas de energía de fusión que funcionarán continuamente.

ITER cuenta con el apoyo de los gobiernos de China, la Unión Europea, India, Japón, Rusia, Corea del Sur y Estados Unidos. Es una fuerte declaración internacional sobre la necesidad de la energía de fusión.

A partir de aquí, el camino restante hacia la energía de fusión tiene dos partes. Primero, debemos continuar la investigación sobre el tokamak. Ésto significa avanzar la física y la ingeniería para que podamos mantener el plasma en un estado estable durante meses. Necesitaremos desarrollar materiales que puedan soportar una cantidad de calor igual a un quinto del flujo de calor en la superficie del sol durante largos períodos de tiempo. Y debemos desarrollar materiales que cubrirán el núcleo del reactor para absorber los neutrones y crear el tritio.

Lo segundo en el camino a la fusión es desarrollar ideas que eleven el atractivo de la fusión. A continuación te presentaremos cuatro:

1) Con el uso de las computadoras, se optimicen los diseños del reactor de fusión dentro de las limitaciones de la física e ingeniería. Más allá calculable por los humanos, estos diseños optimizados producen formas torcidas de donas que son altamente estables y pueden operar automáticamente durante meses. En el negocio de la fusión se les llama “stellarators”.

2) Desarrollar nuevos imanes superconductores de alta temperatura que sean más fuertes y pequeños que los mejores de hoy en día. Eso nos permitirá construir reactores de fusión más pequeños y baratos.

3) Utilizar metal líquido, en lugar de un sólido, como material que rodee el plasma. Los metales líquidos no se rompen, ofreciendo una posible solución al desafío que se presenta con el comportamiento de un material circundante al hacer contacto con el plasma.

4) Construir sistemas que contienen plasmas en forma de donut sin agujero en el centro, formando un plasma con apariencia casi esférica. Algunos de estos enfoques podrían funcionar con un campo magnético más débil. Estos enfoques «tori compacto» y de «campos bajos» también ofrecen la posibilidad de una reducción en el costo y tamaño.

Los programas de investigación patrocinados por el gobierno en todo el mundo están trabajando en los elementos de ambas partes y resultará en hallazgos que beneficiarán todos los enfoques de la energía de fusión, así como nuestra comprensión de los plasmas en el cosmos y la industria.

En los últimos 10 a 15 años, las empresas financiadas con fondos privados también se han unido al esfuerzo, particularmente en busca de “tori compactos” y avances de “campos bajos”. Este progreso traerá energía segura, limpia y abundante.

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