Los retos de la energía de fusión nuclear

Desde hace casi un siglo, astrónomos y físicos han sabido que un proceso llamado fusión termonuclear es lo que ha mantenido brillando al Sol y a las estrellas durante millones o incluso miles de millones de años. Y, desde ese descubrimiento, han soñado con traer esa fuente de energía a la Tierra y utilizarla para abastecer al mundo moderno.

Es un sueño que se ha vuelto más apremiante en la actualidad, en una era de creciente cambio climático. Aprovechar la fusión termonuclear e introducirla en las redes eléctricas del mundo podría ayudar a que todas nuestras plantas eléctricas alimentadas con carbón y gas que arrojan dióxido de carbono sean un recuerdo lejano. Las plantas de energía de fusión nuclear podrían ofrecer electricidad sin emisiones de carbono que fluya día y noche, sin preocuparse por el viento o el clima —y sin los inconvenientes de las plantas de fisión nuclear actuales, que incluyen accidentes potencialmente catastróficos y desechos radiactivos que deben confinarse durante miles de siglos—.

De hecho, la fusión es exactamente lo opuesto a la fisión: en lugar de dividir elementos pesados como el uranio en átomos más ligeros, la fusión genera energía fusionando varios isótopos de elementos ligeros, como el hidrógeno, en átomos más pesados.

Para hacer realidad este sueño, los científicos dedicados a la fusión deben encender la fusión aquí en el planeta —pero sin acceso a los aplastantes niveles de gravedad que logran esta hazaña en el núcleo del Sol—. Hacerlo en la Tierra significa poner esos isótopos ligeros en un reactor y encontrar una manera de calentarlos a cientos de millones de grados centígrados —convirtiéndolos en un “plasma” ionizado similar al interior de un rayo, pero más caliente y más difícil de controlar—. Y significa encontrar un modo de controlar ese rayo, usualmente con algún tipo de campo magnético que tome el plasma y lo sujete con fuerza mientras se retuerce, gira e intenta escapar como si fuera un ser vivo.

Ambos desafíos son, al menos, desalentadores. De hecho, no fue hasta finales de 2022 que un experimento de fusión multimillonario en California finalmente consiguió que una pequeña muestra de isótopos emitiera más energía termonuclear de la que se utilizó para encenderlo. Y ese evento, que duró apenas una décima de nanosegundo, tuvo que ser desencadenado por la potencia combinada de 192 de los láseres más potentes del mundo.

Hoy, sin embargo, el mundo de la fusión está inundado de planes para desarrollar máquinas mucho más prácticas. Nuevas tecnologías, como los superconductores de alta temperatura, prometen hacer que los reactores de fusión sean más pequeños, más simples, más baratos y más eficientes de lo que parecía posible. Y mejor aún, todas esas décadas de progreso lento y tenaz parecen haber superado un punto de inflexión, y los investigadores dedicados a la fusión ahora tienen suficiente experiencia para diseñar experimentos con plasma que funcionan más o menos como se predijo.

“La capacidad tecnológica está llegando a la mayoría de edad y ahora está a la altura del desafío de esta búsqueda”, dice Michl Binderbauer, director ejecutivo de la empresa de fusión TAE Technologies en el sur de California.

De hecho, se han creado más de 40 empresas comerciales de fusión desde que TAE Technologies se convirtió en la primera en 1998 —la mayoría de ellas en los últimos cinco años, y muchas con un diseño de reactor de potencia que esperan tener operativo en la próxima década—. “Sigo pensando que, claro, hemos alcanzado nuestro punto máximo”, dice Andrew Holland, quien lleva un recuento continuo como director ejecutivo de Fusion Industry Association, un grupo activista que fundó en 2018 en Washington, DC. “Pero no, seguimos viendo que cada vez más empresas llegan con ideas diferentes”.

Nada de esto ha pasado inadvertido para las compañías de inversión privada, que han respaldado las nuevas empresas de fusión con unos 6.000 millones de dólares y contando. Esta combinación de nueva tecnología y dinero privado crea una sinergia feliz, dice Jonathan Menard, jefe de investigación del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton, perteneciente al Departamento de Energía, en Nueva Jersey, quien no participa en ninguna de las empresas de fusión.

En comparación con el sector público, en general las empresas tienen más recursos para probar cosas nuevas, afirma Menard. “Algunas van a funcionar, otras no. Algunas podrían estar en algún punto intermedio”, dice. “Pero lo vamos a descubrir, y eso es bueno”.

Por supuesto, hay muchas razones para ser cautelosos —empezando por el hecho de que ninguna de estas empresas ha demostrado hasta ahora que puede generar energía de fusión neta ni siquiera brevemente, y mucho menos llegar a una máquina a escala comercial en una década—. “Muchas de las empresas prometen cosas en plazos que generalmente consideramos improbables”, afirma Menard.

Pero, agrega, “estaríamos felices de que se demuestre que estamos equivocados”.

Con más de 40 empresas intentando hacer precisamente eso, pronto sabremos si una o más de ellas lo logrará. Mientras tanto, para dar una idea de las posibilidades, a continuación, presentamos una descripción general de los desafíos que todo reactor de fusión debe superar y una mirada a algunos de los diseños mejor financiados y mejor desarrollados para hacer frente a esos desafíos.

Requisitos previos para la fusión

El primer desafío para cualquier dispositivo de fusión es, de alguna manera, encender el fuego: debe tomar cualquier mezcla de isótopos que se use como combustible y lograr que los núcleos se toquen, se fusionen y liberen toda esa hermosa energía.

Esto significa literalmente “tocar”: la fusión es un deporte de contacto, y la reacción ni siquiera comenzará hasta que los núcleos choquen de frente. Lo que hace que esto sea complicado es que cada núcleo atómico contiene protones cargados positivamente y —física para principiantes— las cargas positivas se repelen eléctricamente entre sí. Entonces, la única manera de superar ese rechazo es hacer que los núcleos se muevan tan rápido que choquen y se fusionen antes de ser desviados.

Esta necesidad de velocidad requiere una temperatura del plasma de al menos 100 millones de grados Celsius. Y eso es solo para una mezcla de combustible de deuterio y tritio, los dos isótopos pesados del hidrógeno. Otras mezclas de isótopos tendrían que calentarse mucho más —y eso explica por qué el “DT” sigue siendo el combustible elegido en la mayoría de los diseños de reactores—.

Pero cualquiera que sea el combustible, la búsqueda para alcanzar temperaturas de fusión generalmente se reduce a una carrera entre los esfuerzos de los investigadores por bombear energía con una fuente externa como microondas, o rayos de átomos neutros de alta energía, y los intentos de iones de plasma de irradiar esa energía tan rápido como la reciben.

El objetivo final es lograr que el plasma supere la temperatura de “ignición”, que es cuando las reacciones de fusión comenzarán a generar suficiente energía interna para compensar la que se irradia —y, además, abastecer a una o dos ciudades—.

Pero esto solo lleva al segundo desafío: una vez que se enciende el fuego, cualquier reactor práctico tendrá que mantenerlo encendido —es decir, confinar estos núcleos sobrecalentados de modo que estén lo suficientemente cerca como para mantener una tasa razonable de colisiones durante el tiempo suficiente para producir un flujo útil de energía—.

En la mayoría de los reactores, esto significa proteger el plasma dentro de una cámara hermética, porque las moléculas de aire enfriarían el plasma y extinguirían la reacción. Pero también significa mantener el plasma alejado de las paredes de la cámara, que son tanto más frías que el plasma que el más mínimo toque también apagaría la reacción. El problema es que, si se intenta mantener el plasma alejado de las paredes con una barrera no física, como un campo magnético fuerte, el flujo de iones rápidamente se distorsionará y se volverá inútil debido a las corrientes y campos dentro del plasma.

A menos, claro está, que se haya dado forma al campo con mucho cuidado e inteligencia —razón por la cual los diversos esquemas de confinamiento explican algunas de las diferencias más dramáticas entre los diseños de reactores—.

Finalmente, los reactores prácticos tendrán que incluir alguna forma de extraer la energía de fusión y convertirla en un flujo constante de electricidad. Aunque nunca han faltado ideas para este último desafío, los detalles dependen fundamentalmente de la mezcla de combustible que utilice el reactor.

Con el combustible de deuterio-tritio, por ejemplo, la reacción produce la mayor parte de su energía en forma de partículas de alta velocidad llamadas neutrones, que no pueden ser confinadas en un campo magnético porque no tienen carga. Esta falta de carga eléctrica permite que los neutrones vuelen no solo a través de los campos magnéticos sino también a través de las paredes del reactor. Por lo tanto, la cámara de plasma tendrá que estar rodeada por una “manta”: una capa gruesa de algún material pesado, como plomo o acero, que absorberá los neutrones y convertirá su energía en calor. Luego, el calor se puede utilizar para hervir agua y generar electricidad mediante el mismo tipo de turbinas de vapor que se utilizan en las centrales eléctricas convencionales.

Muchos diseños de reactores DT también requieren incluir algo de litio en el material de la manta, de modo que los neutrones reaccionen con ese elemento para producir nuevos núcleos de tritio. Este paso es fundamental: debido a que cada evento de fusión DT consume un núcleo de tritio, y dado que este isótopo es radiactivo y no existe en la naturaleza, el reactor pronto se quedaría sin combustible si no aprovechara esta oportunidad para reponerlo.

Las complejidades del combustible DT son tan engorrosas que algunas de las nuevas empresas de fusión más audaces han optado por mezclas de combustibles alternativos. TAE Technologies, de Binderbauer, por ejemplo, apunta a lo que muchos consideran el combustible de fusión definitivo: una mezcla de protones y boro-11. Ambos ingredientes no solo son estables y abundantes, sino que no son tóxicos y su único producto de reacción es un trío de núcleos de helio-4 cargados positivamente, cuya energía se captura fácilmente con campos magnéticos, sin necesidad de una manta.

Pero los combustibles alternativos presentan diferentes desafíos, como el hecho de que TAE Technologies tendrá que lograr que su mezcla de protón-boro-11 alcance temperaturas de fusión de al menos mil millones de grados Celsius, unas 10 veces más que el umbral de DT.

Una rosquilla de plasma

Los conceptos básicos de estos tres desafíos —encender el plasma, sostener la reacción y recolectar la energía— estaban claros desde los primeros días de la investigación sobre la energía de fusión. Y para los años cincuenta, los innovadores en este campo habían comenzado a idear varios esquemas para resolverlos —la mayoría de los cuales quedaron en el camino después de 1968, cuando los físicos soviéticos hicieron público un diseño al que llamaron tokamak—.

Al igual que varios de los conceptos de reactores anteriores, los tokamaks consistían en una cámara de plasma similar a una rosquilla hueca —una forma que permitía que los iones circularan sin cesar y sin golpear nada— y controlaban los iones de plasma con campos magnéticos generados por bobinas portadoras de corriente enrolladas alrededor del exterior de la rosquilla.

Pero los tokamaks también presentaban un nuevo conjunto de bobinas que provocaban que una corriente eléctrica girara alrededor de la rosquilla a través del plasma, como un rayo circular. Esta corriente hizo que los campos magnéticos experimentaran un giro sutil que, sorprendentemente, contribuyó en gran medida a estabilizar el plasma. Y aunque la primera de estas máquinas aún no pudo acercarse a las temperaturas y tiempos de confinamiento que necesitaría un reactor de energía, los resultados fueron tanto mejores que los anteriores que el mundo de la fusión prácticamente se cambió a los tokamaks en masa.

Desde entonces se han construido más de 200 tokamaks de diversos diseños en todo el mundo, y los físicos han aprendido tanto sobre los plasmas de tokamak que pueden predecir con confianza el rendimiento de las máquinas futuras. Esa confianza es la razón por la que un consorcio internacional de agencias de financiación ha estado dispuesto a comprometer más de 20.000 millones de dólares para construir ITER (en latín “el camino”): un tokamak del tamaño de un edificio de 10 pisos. Se espera que el ITER, que se construye en el sur de Francia desde 2010, comience experimentos con combustible de deuterio-tritio en 2035. Y cuando lo haga, los físicos están bastante seguros de que el ITER podrá retener y estudiar plasmas de fusión en condiciones de quemado durante minutos, proporcionando un tesoro único de datos que, con suerte, será útil en la construcción de reactores de energía.

Pero ITER también fue diseñado como una máquina para la investigación con mucha más instrumentación y versatilidad de la que un reactor de energía en funcionamiento necesitaría jamás —por eso, dos de las startups de fusión mejor financiadas de la actualidad están compitiendo por desarrollar reactores tokamak mucho más pequeños, simples y baratos—.

La primera en salir fue Tokamak Energy, una empresa del Reino Unido fundada en 2009. La compañía ha recibido unos 250 millones de dólares en capital de riesgo a lo largo de los años para desarrollar un reactor basado en “tokamaks esféricos” —una variación particularmente compacta que se parece más a una manzana sin corazón que a una rosquilla—.

Pero rápidamente detrás está llegando Commonwealth Fusion Systems, en Massachusetts, una spinoff del MIT que no existía hasta 2018. Aunque el diseño del tokamak de Commonwealth utiliza una configuración de rosquilla más convencional, el acceso a la extensa red de recaudación de fondos del MIT ya le ha aportado a la empresa casi 2.000 millones de dólares.

Ambas compañías están entre las primeras en generar sus campos magnéticos con cables fabricados con superconductores de alta temperatura (HTS, en inglés). Descubiertos en los años ochenta, pero recientemente disponibles en forma de cable, estos materiales pueden transportar una corriente eléctrica sin resistencia incluso a una temperatura relativamente tórrida de 77 Kelvin, o -196 grados Celsius, lo suficientemente caliente como para lograrse con nitrógeno líquido o gas de helio. Esto hace que los cables HTS sean mucho más fáciles y baratos de enfriar que los que utilizará ITER, porque estarán hechos de superconductores convencionales que deberán bañarse en helio líquido a 4 Kelvin (-269°C).

Pero más que eso, los cables HTS pueden generar campos magnéticos mucho más fuertes en un espacio mucho más pequeño que sus homólogos de baja temperatura —lo que significa que ambas empresas han podido reducir los diseños de sus centrales eléctricas a una fracción del tamaño de ITER—.

Sin embargo, a pesar de lo dominantes que han sido los tokamaks, la mayoría de las nuevas empresas de fusión actuales no usan ese diseño. Están reviviendo alternativas más antiguas que podrían ser más pequeñas, simples y baratas que los tokamaks, si alguien pudiera hacerlas funcionar.

Vórtices de plasma

Los mejores ejemplos de estos diseños revividos son los reactores de fusión basados en vórtices de plasma en forma de anillos de humo, conocidos como configuración de campo invertido (FRC, en inglés). Recordando la forma de un cigarrillo grueso y hueco que gira sobre su eje como un giroscopio, un vórtice de FRC se mantiene unido con sus propias corrientes internas y campos magnéticos —lo que significa que no hay necesidad de que un reactor de FRC mantenga sus iones circulando sin cesar alrededor de la cámara de plasma con forma de rosquilla—. En principio, al menos, el vórtice permanecerá felizmente dentro de una cámara cilíndrica recta, requiriendo solo un ligero campo externo para mantenerlo estable. Esto significa que un reactor basado en FRC podría deshacerse de la mayoría de esas costosas bobinas de campo externas que consumen mucha energía, lo que lo haría más pequeño, simple y barato que un tokamak o casi cualquier otra cosa.

Desafortunadamente, en la práctica, los primeros experimentos realizados en los años sesenta con estos cigarrillos de plasma giratorios mostraron que siempre parecían perder el control en unos pocos cientos de microsegundos, por la cual este enfoque fue abandonado en gran medida en la era del tokamak.

Sin embargo, la simplicidad básica de un reactor FRC nunca perdió por completo su atractivo. Tampoco lo hizo el hecho de que los FRC pudieran potencialmente ser llevados a temperaturas de plasma extremas sin desintegrarse —razón por la cual TAE Technologies eligió el enfoque FRC en 1998, cuando la compañía comenzó su búsqueda para explotar la reacción protón-boro-11 de mil millones de centígrados—.

Binderbauer y el cofundador de TAE Technologies, el físico Norman Rostoker (fallecido), habían ideado un plan para estabilizar y sostener el vórtice FRC de manera indefinida: simplemente disparar rayos de combustible nuevo a lo largo de los bordes exteriores del vórtice para mantener el plasma caliente y la velocidad de giro alta.

Funcionó. A mediados de la década de 2010, el equipo de TAE Technologies había demostrado que esos rayos de partículas que llegaban desde un lado mantendrían el FRC girando y estable, mientras los inyectores del haz tuvieran energía —poco menos de 10 milisegundos con el suministro de energía almacenada en el laboratorio—, pero tanto como quieran (presumiblemente) una vez que pudieran extraer un poco de energía sobrante de un reactor que quema protón-boro-11. Y para 2022 habían demostrado que sus FRC podían mantener esa estabilidad muy por encima de los 70 millones de grados Celsius.

Previsto para completar en 2025 su próximo dispositivo —Copernicus, de 30 metros de largo—, TAE Technology espera alcanzar condiciones de combustión por encima de los 100 millones de grados Celsius (aunque usando hidrógeno simple como sustituto). Este hito debería dar al equipo de TAE Technologies datos esenciales para diseñar su máquina DaVinci: un prototipo de reactor que (esperan) comenzará a abastecer a la red eléctrica generada con p-B11 a principios de la década de 2030.

Plasma en una lata

Mientras tanto, General Fusion, de Vancouver, Canadá, se está asociando con la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido para construir un reactor de demostración para lo que tal vez es el concepto más extraño de todos: un resurgimiento, en el siglo XXI, de la fusión de objetivos magnetizados. Este concepto de los años setenta equivale a disparar un vórtice de plasma dentro de una lata de metal y luego aplastarla. Si se hace eso lo suficientemente rápido, el plasma atrapado se comprimirá y calentará hasta alcanzar condiciones de fusión. Si se hace con suficiente frecuencia, surgirá una cadena más o menos continua de energía de fusión y tendrá un reactor de energía.

En el concepto actual de General Fusion, la lata de metal será reemplazada por una mezcla fundida de plomo y litio que, mediante fuerza centrífuga, se mantiene contra las paredes de un contenedor cilíndrico que gira a 400 RPM. Al comienzo de cada ciclo del reactor, un cañón de plasma apuntando hacia abajo inyectará un vórtice de combustible de deuterio-tritio ionizado —el “objetivo magnetizado”— que convertirá brevemente el contenedor giratorio revestido de metal en un tokamak esférico en miniatura. Luego, un bosque de pistones de aire comprimido dispuestos alrededor del exterior del contenedor empujará la mezcla de plomo y litio hacia el vórtice, aplastándola desde un diámetro de tres metros hasta 30 centímetros en unos cinco milisegundos, y elevando el deuterio-tritio a temperaturas de fusión.

La explosión resultante golpeará la mezcla fundida de plomo y litio, empujándola hacia las paredes del cilindro giratorio y reiniciando el sistema para el siguiente ciclo —que comenzará aproximadamente un segundo después—. Mientras tanto, en una escala de tiempo mucho más lenta, las bombas harán circular constantemente el metal fundido hacia el exterior para que los intercambiadores de calor puedan recolectar la energía de fusión que absorbe, y otros sistemas puedan eliminar el tritio generado a partir de las interacciones neutrones-litio.

Todas estas partes móviles requieren una coreografía compleja, pero si funciona como sugieren las simulaciones, la empresa espera construir una planta de energía a gran escala que queme deuterio y tritio para la década de 2030.

La gran pregunta es cuándo (o si) los conceptos de reactores mencionados en este artículo darán lugar a verdaderas plantas de energía comerciales —o si el primero en llegar al mercado será uno de los muchos diseños de reactores alternativos que están desarrollando las otras más de 40 empresas de fusión—.

Pero pocas o ninguna de estas empresas ven la búsqueda de energía de fusión como una carrera de caballos o un juego de suma cero. Muchas han descrito sus rivalidades como feroces, pero básicamente amistosas —en especial porque, en un mundo que está desesperado por cualquier forma de energía libre de carbono, hay mucho espacio para que múltiples tipos de reactores de fusión sean un éxito comercial—.

“Diré que mi idea es mejor que la de ellos. Pero si les preguntas, probablemente te dirán que su idea es mejor que la mía”, dice el físico Michel Laberge, fundador y científico jefe de General Fusion. “La mayoría de estos tipos son investigadores serios y no hay ningún defecto fundamental en sus planes”. Las probabilidades reales de éxito, afirma, mejoran si hay más posibilidades. “Y necesitamos desesperadamente la fusión en este planeta”.

Artículo traducido por Daniela Hirschfeld