Un tiempo de transición y potencial para la energía de fusión

Durante siglos, los humanos han soñado aprovechando el poder del sol para energizar nuestras vidas aquí en la Tierra. Pero queremos ir más allá de recolectar energía solar, y algún día generar la nuestra a partir de un mini sol. Si somos capaces de resolver un conjunto extremadamente complejo de problemas científicos y de ingeniería, la energía de fusión promete una fuente de energía ilimitada, segura y verde. De solo un kilogramo de deuterio extraído del agua por día podría venir suficiente electricidad para alimentar a cientos de miles de hogares.

Desde los 1950, la investigación científica y de ingeniería ha generó un progreso enorme hacia forzar a los átomos de hidrógeno a fusionarse en una reacción autosostenida, así como a cantidad pequeña pero demostrable de la energía de fusión. Escépticos y proponentes por igual nótese los dos desafíos restantes más importantes: mantener las reacciones durante largos períodos de tiempo e idear una estructura material para aprovechar la energía de fusión de la electricidad.

Como investigadores de fusión en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton, sabemos que de forma realista, la primera planta de energía de fusión comercial todavía está por lo menos a 25 años de distancia. Pero la posibilidad de que lleguen sus enormes beneficios en la segunda mitad de este siglo significa que debemos seguir trabajando. Las principales demostraciones de la factibilidad de la fusión pueden lograrse antes, y deben hacerlo, para que el poder de fusión pueda incorporarse en la planificación de nuestro futuro energético.

A diferencia de otras formas de generación eléctrica, como la solar, el gas natural y la fisión nuclear, la fusión no puede desarrollarse en miniatura y luego simplemente ampliarse. Los pasos experimentales son grandes y toman tiempo para construir. Pero el problema de la energía abundante y limpia será gran vocación para la humanidad para el próximo siglo y más allá. Sería imprudente no explotar por completo esta fuente de energía tan prometedora.

¿Por qué poder de fusión?

En fusión, dos núcleos del átomo de hidrógeno (isótopos de deuterio y tritio) fusionar. Esto es relativamente difícil de hacer: ambos núcleos tienen carga positiva y, por lo tanto, se repelen entre sí. Solo si se mueven extremadamente rápido cuando colisionan, se aplastan, fusionan y liberan la energía que buscamos.


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Esto sucede naturalmente en el sol. Aquí en la Tierra, usamos imanes potentes para contener un gas extremadamente caliente de deuterio eléctricamente cargado y núcleos de tritio y electrones. Este gas cargado y caliente se llama plasma.

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

Calentar el plasma a una temperatura tan alta requiere una gran cantidad de energía, que debe colocarse en el reactor antes de que pueda comenzar la fusión. Pero una vez que se pone en marcha, la fusión tiene el potencial de generar suficiente energía para mantener su propio calor, lo que nos permite extraer el exceso de calor para convertirlo en electricidad utilizable.

El combustible para el poder de fusión es abundante en la naturaleza. El deuterio es abundante en agua, y el reactor en sí mismo puede hacer tritio de litio. Y está disponible para todas las naciones, en su mayoría independientes de los recursos naturales locales.

El poder de fusión está limpio. No emite gases de efecto invernadero y solo produce helio y un neutrón.

Es seguro. Ahi esta no hay posibilidad de una reacción descontrolada, como un "colapso" de fisión nuclear. Por el contrario, si hay un mal funcionamiento, el plasma se enfría y las reacciones de fusión cesan.

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

Avance hasta la fecha

El progreso en la fusión se puede medir de dos maneras. El primero es el tremendo avance en la comprensión básica de los plasmas de alta temperatura. Los científicos tuvieron que desarrollar un nuevo campo de la física: física de plasma - concebir métodos para confinar el plasma en campos magnéticos fuertes, y luego desarrollar las habilidades para calentar, estabilizar, controlar la turbulencia y medir las propiedades del plasma supercaliente.

La tecnología relacionada también ha progresado enormemente. Tenemos empujó las fronteras en imanes, y fuentes de ondas electromagnéticas y haces de partículas para contener y calentar el plasma. También hemos desarrollado técnicas para que los materiales pueden soportar el calor intenso del plasma en los experimentos actuales.

Es fácil transmitir las métricas prácticas que rastrean la marcha de la fusión a la comercialización. El principal de ellos es la potencia de fusión que se ha generado en el laboratorio: la generación de potencia de fusión aumentó de milivatios por microsegundos en los 1970 a los megavatios de potencia de fusión de 10 (en el Princeton Plasma Physics Laboratory) y Megavatios 16 por un segundo (en el Joint European Torus en Inglaterra) en los 1990s.

Un nuevo capítulo en la investigación

Ahora la comunidad científica internacional está trabajando en unidad para construir una instalación masiva de investigación de fusión en Francia. Llamado ITER (En latín significa "el camino"), esta planta generará aproximadamente megavatios 500 de potencia de fusión térmica durante aproximadamente ocho minutos a la vez. Si esta potencia se convirtiera en electricidad, podría alimentar las casas 150,000. Como experimento, nos permitirá probar cuestiones clave de ciencia e ingeniería en preparación para plantas de energía de fusión que funcionarán continuamente.

ITER emplea el diseño conocido como “tokamak, "Originalmente un acrónimo ruso. Se trata de un plasma en forma de rosquilla, confinado en un campo magnético muy fuerte, que se crea en parte por la corriente eléctrica que fluye en el plasma.

Aunque está diseñado como un proyecto de investigación y no pretende ser un productor neto de energía eléctrica, ITER producirá 10 veces más energía de fusión que los megavatios 50 necesarios para calentar el plasma. Este es un gran paso científico, creando el primero "plasma ardiente, "En el que la mayor parte de la energía utilizada para calentar el plasma proviene de la reacción de fusión en sí misma.

ITER es apoyado por gobiernos que representan la mitad de la población mundial: China, la Unión Europea, India, Japón, Rusia, Corea del Sur y los EE. UU. Es una declaración internacional fuerte sobre la necesidad y la promesa de la energía de fusión.

El camino adelante

A partir de aquí, el camino restante hacia el poder de fusión tiene dos componentes. Primero, debemos continuar investigando sobre el tokamak. Esto significa avanzar en la física y la ingeniería para que podamos mantener el plasma en un estado estable durante meses. Tendremos que desarrollar materiales que puedan soportar una cantidad de calor equivalente a un quinto del flujo de calor en la superficie del sol durante largos períodos. Y debemos desarrollar materiales que cubran el núcleo del reactor para absorber los neutrones y criar tritio.

El segundo componente en el camino hacia la fusión es desarrollar ideas que mejoren el atractivo de la fusión. Cuatro de esas ideas son:

1) Utilizando computadoras, optimice los diseños de reactores de fusión dentro de las limitaciones de la física y la ingeniería. Más allá de lo que los humanos pueden calcular, estos diseños optimizados producen formas de donut retorcidas que son altamente estables y pueden operar automáticamente durante meses. Se les llama "stellarators" en el negocio de la fusión.

2) Desarrollar nuevos imanes superconductores de alta temperatura que pueden ser más fuertes y más pequeños que lo mejor de hoy. Eso nos permitirá construir reactores de fusión más pequeños y probablemente más baratos.

3) El uso de metal líquido, en lugar de un sólido, como el material que rodea el plasma. Los metales líquidos no se rompen, ofreciendo una posible solución al inmenso desafío de cómo podría comportarse un material circundante cuando entra en contacto con el plasma.

4) Sistemas de construcción que contienen plasmas en forma de rosquilla con sin agujero en el centroformando un plasma en forma casi como una esfera. Algunos de estos enfoques también podrían funcionar con un campo magnético más débil. Estas "Tori compacto"Y los enfoques de" campo bajo "también ofrecen la posibilidad de reducir el tamaño y el costo.

Programas de investigación patrocinados por el gobierno en todo el mundo están trabajando en los elementos de ambos componentes, y darán como resultado resultados que beneficien a todos los enfoques de la energía de fusión (así como nuestra comprensión de los plasmas en el cosmos y la industria). En el pasado 10 a 15 años, las empresas de capital privado también se han unido al esfuerzo, particularmente en busca de toros compactos y descubrimientos de campo bajo. Se acerca el progreso y traerá consigo energía abundante, limpia y segura.

La conversación

Sobre el Autor

Stewart Prager, profesor de Astrophysical Science, ex director del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton, La Universidad de Princeton y Michael C. Zarnstorff, Director Adjunto de Investigación, Laboratorio de Física de Plasma de Princeton, La Universidad de Princeton

Este artículo se publicó originalmente el La conversación. Leer el articulo original.

[Nota del editor: Aquí hay una mensaje de advertencia concerniente a la energía de fusión.]

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