El poder de la fusion

Generación de electricidad mediante fusión nuclear

El experimento de fusión magnética Joint European Torus (JET) en 1991

La energía de fusión es una forma propuesta de generación de energía que generaría electricidad utilizando el calor de reacciones de fusión nuclear . En un proceso de fusión, dos núcleos atómicos más ligeros se combinan para formar un núcleo más pesado, al tiempo que liberan energía. Los dispositivos diseñados para aprovechar esta energía se conocen como reactores de fusión. La investigación sobre los reactores de fusión comenzó en la década de 1940, pero hasta 2024 ningún dispositivo había alcanzado la potencia neta, aunque se habían logrado reacciones netas positivas. ^{[1] [2] [3] [4]}

Los procesos de fusión requieren combustible y un ambiente confinado con suficiente temperatura , presión y tiempo de confinamiento para crear un plasma en el que pueda ocurrir la fusión. La combinación de estas cifras que da como resultado un sistema productor de energía se conoce como criterio de Lawson . En las estrellas, el combustible más común es el hidrógeno , y la gravedad proporciona tiempos de confinamiento extremadamente largos que alcanzan las condiciones necesarias para la producción de energía de fusión. Los reactores de fusión propuestos generalmente utilizan isótopos de hidrógeno pesados ​​como el deuterio y el tritio (y especialmente una mezcla de los dos ), que reaccionan más fácilmente que el protio (el isótopo de hidrógeno más común ), para permitirles alcanzar los requisitos del criterio de Lawson en condiciones menos extremas. . La mayoría de los diseños pretenden calentar su combustible a alrededor de 100 millones de Kelvin, lo que presenta un gran desafío para producir un diseño exitoso.

Como fuente de energía, la fusión nuclear tiene una serie de ventajas potenciales en comparación con la fisión . Estos incluyen una radiactividad reducida en operación, pocos desechos nucleares de alto nivel , amplios suministros de combustible y mayor seguridad. Sin embargo, se ha demostrado que la combinación necesaria de temperatura, presión y duración es difícil de producir de manera práctica y económica. Un segundo problema que afecta a las reacciones comunes es la gestión de los neutrones que se liberan durante la reacción, que con el tiempo degradan muchos materiales comunes utilizados dentro de la cámara de reacción.

Los investigadores de Fusion han investigado varios conceptos de confinamiento. El énfasis inicial estuvo en tres sistemas principales: z-pinch , stellarator y espejo magnético . Los diseños líderes actuales son el tokamak y el confinamiento inercial (ICF) por láser . Ambos diseños están bajo investigación a muy gran escala, en particular el tokamak ITER en Francia y el láser del National Ignition Facility (NIF) en Estados Unidos. Los investigadores también están estudiando otros diseños que puedan ofrecer enfoques menos costosos. Entre estas alternativas, existe un interés creciente en la fusión de objetivos magnetizados y el confinamiento electrostático inercial , y nuevas variaciones del estelarador.

Fondo

El Sol , como otras estrellas , es un reactor de fusión natural, donde la nucleosíntesis estelar transforma elementos más ligeros en elementos más pesados ​​con la liberación de energía.

Energía de enlace para diferentes núcleos atómicos . El Hierro-56 tiene el nivel más alto, lo que lo convierte en el más estable. Es probable que los núcleos de la izquierda liberen energía cuando se fusionan ( fusión ); Es probable que los de extrema derecha sean inestables y liberen energía cuando se dividen ( fisión ).

Mecanismo

Las reacciones de fusión ocurren cuando dos o más núcleos atómicos se acercan lo suficiente durante el tiempo suficiente como para que la fuerza nuclear que los une supere la fuerza electrostática que los separa, fusionándolos en núcleos más pesados. Para núcleos más pesados ​​que el hierro-56 , la reacción es endotérmica , requiriendo un aporte de energía. ^[5] Los núcleos pesados ​​más grandes que el hierro tienen muchos más protones, lo que resulta en una mayor fuerza repulsiva. Para los núcleos más ligeros que el hierro-56, la reacción es exotérmica , liberando energía cuando se fusionan. Dado que el hidrógeno tiene un solo protón en su núcleo, requiere el menor esfuerzo para lograr la fusión y produce la mayor producción neta de energía. Además, como tiene un electrón, el hidrógeno es el combustible más fácil de ionizar por completo.

La interacción electrostática repulsiva entre núcleos opera a distancias mayores que la fuerza fuerte, que tiene un alcance de aproximadamente un femtómetro (el diámetro de un protón o neutrón). A los átomos de combustible se les debe suministrar suficiente energía cinética para que se acerquen entre sí lo suficiente como para que la fuerza fuerte supere la repulsión electrostática para iniciar la fusión. La " barrera de Coulomb " es la cantidad de energía cinética necesaria para acercar suficientemente los átomos del combustible. Los átomos pueden calentarse a temperaturas extremadamente altas o acelerarse en un acelerador de partículas para producir esta energía.

Un átomo pierde sus electrones una vez que se calienta más allá de su energía de ionización . Un ion es el nombre del núcleo desnudo resultante. El resultado de esta ionización es el plasma, que es una nube calentada de iones y electrones libres que antes estaban unidos a ellos. Los plasmas son conductores eléctricos y controlados magnéticamente porque las cargas están separadas. Esto lo utilizan varios dispositivos de fusión para confinar las partículas calientes.

Sección transversal

La velocidad de la reacción de fusión aumenta rápidamente con la temperatura hasta alcanzar su máximo y luego disminuye gradualmente. La velocidad de fusión deuterio-tritio (DT) alcanza su punto máximo a una temperatura más baja (alrededor de 70 keV u 800 millones de Kelvin) y a un valor más alto que otras reacciones comúnmente consideradas para la energía de fusión.

La sección transversal de una reacción , denotada σ, mide la probabilidad de que ocurra una reacción de fusión. Esto depende de la velocidad relativa de los dos núcleos. Las velocidades relativas más altas generalmente aumentan la probabilidad, pero la probabilidad comienza a disminuir nuevamente a energías muy altas. ^[6]

En un plasma, la velocidad de las partículas se puede caracterizar mediante una distribución de probabilidad . Si el plasma está termalizado , la distribución parece una curva gaussiana o distribución de Maxwell-Boltzmann . En este caso, es útil utilizar la sección transversal promedio de las partículas sobre la distribución de velocidades. Esto se ingresa en la tasa de fusión volumétrica: ^[7]

${\displaystyle P_{\text{fusion}}=n_{A}n_{B}\langle \sigma v_{A,B}\rangle E_{\text{fusion}}}$

dónde:

• ${\displaystyle P_{\text{fusion}}}$es la energía producida por fusión, por tiempo y volumen
• n es la densidad numérica de las especies A o B, de las partículas en el volumen
• ${\displaystyle \langle \sigma v_{A,B}\rangle }$es la sección transversal de esa reacción, promedio de todas las velocidades de las dos especies v
• ${\displaystyle E_{\text{fusion}}}$es la energía liberada por esa reacción de fusión.

criterio de lawson

El criterio de Lawson considera el equilibrio energético entre la energía producida en las reacciones de fusión y la energía que se pierde en el medio ambiente. Para generar energía utilizable, un sistema tendría que producir más energía de la que pierde. Lawson asumió un balance de energía , que se muestra a continuación. ^[7]

${\displaystyle P_{\text{out}}=\eta _{\text{capture}}\left(P_{\text{fusion}}-P_{\text{conduction}}-P_{\text{radiation}}\right)}$

dónde:

• ${\displaystyle P_{\text{out}}}$es la potencia neta de la fusión
• ${\displaystyle \eta _{\text{capture}}}$es la eficiencia de capturar la salida de la fusión
• ${\displaystyle P_{\text{fusion}}}$es la tasa de energía generada por las reacciones de fusión
• ${\displaystyle P_{\text{conduction}}}$Son las pérdidas por conducción a medida que la masa energética abandona el plasma.
• ${\displaystyle P_{\text{radiation}}}$son las pérdidas de radiación cuando la energía sale como luz.

La velocidad de fusión, y por tanto _{de la fusión} P , depende de la temperatura y la densidad del plasma. El plasma pierde energía por conducción y radiación . ^[7] La ​​conducción ocurre cuando iones , electrones o neutros impactan otras sustancias, generalmente una superficie del dispositivo, y transfieren una parte de su energía cinética a los otros átomos. La velocidad de conducción también se basa en la temperatura y la densidad. La radiación es energía que sale de la nube en forma de luz. La radiación también aumenta con la temperatura y con la masa de los iones. Los sistemas de energía de fusión deben operar en una región donde la tasa de fusión sea mayor que las pérdidas.

Producto triple: densidad, temperatura, tiempo.

Captura de fusión (izquierda) contra temperatura (abajo) para varios enfoques de fusión a partir de 2021, asumiendo combustible DT ^{[8] [ se necesita aclaración ]}

El criterio de Lawson sostiene que una máquina que contiene un plasma termalizado y casi neutro tiene que generar suficiente energía para superar sus pérdidas de energía. La cantidad de energía liberada en un volumen dado es función de la temperatura y, por lo tanto, de la velocidad de reacción por partícula, de la densidad de las partículas dentro de ese volumen y, finalmente, del tiempo de confinamiento, el tiempo que la energía permanece dentro. El volumen. ^{[7] [9]} Esto se conoce como el "producto triple": la densidad del plasma, la temperatura y el tiempo de confinamiento. ^[10]

En confinamiento magnético, la densidad es baja, del orden de un "buen vacío". Por ejemplo, en el dispositivo ITER la densidad del combustible es aproximadamente 1,0 × 10 ¹⁹ m ⁻³ , que es aproximadamente una millonésima de la densidad atmosférica. ^[11] Esto significa que la temperatura y/o el tiempo de confinamiento deben aumentar. Las temperaturas relevantes para la fusión se han logrado utilizando una variedad de métodos de calentamiento que se desarrollaron a principios de los años 1970. En las máquinas modernas, a partir de 2019 ^[actualizar], el principal problema pendiente era el tiempo de confinamiento. Los plasmas en campos magnéticos fuertes están sujetos a una serie de inestabilidades inherentes, que deben suprimirse para alcanzar duraciones útiles. Una forma de hacerlo es simplemente aumentar el volumen del reactor, lo que reduce la tasa de fuga debido a la difusión clásica . Por eso el ITER es tan grande.

Por el contrario, los sistemas de confinamiento inercial se acercan a valores útiles de producto triple a través de una mayor densidad y tienen intervalos de confinamiento cortos. En NIF , la carga inicial de combustible de hidrógeno congelado tiene una densidad menor que la del agua que aumenta hasta aproximadamente 100 veces la densidad del plomo. En estas condiciones, la velocidad de fusión es tan alta que el combustible se funde en los microsegundos que tarda el calor generado por las reacciones en hacer estallar el combustible. Aunque NIF también es grande, esto es una función de su diseño de "controlador", no inherente al proceso de fusión.

Captura de energía

Se han propuesto múltiples enfoques para capturar la energía que produce la fusión. La más sencilla es calentar un fluido. La reacción DT, comúnmente objetivo, libera gran parte de su energía en forma de neutrones que se mueven rápidamente. Eléctricamente neutro, el neutrón no se ve afectado por el esquema de confinamiento. En la mayoría de los diseños, está capturado en una gruesa "manta" de litio que rodea el núcleo del reactor. Cuando es golpeada por un neutrón de alta energía, la manta se calienta. Luego se enfría activamente con un fluido de trabajo que impulsa una turbina para producir energía.

Otro diseño proponía utilizar neutrones para generar combustible de fisión en una capa de desechos nucleares , un concepto conocido como híbrido de fisión-fusión . En estos sistemas, la producción de energía se ve reforzada por los eventos de fisión y la energía se extrae utilizando sistemas como los de los reactores de fisión convencionales. ^[12]

Los diseños que utilizan otros combustibles, en particular la reacción de fusión aneutrónica protón-boro , liberan mucha más energía en forma de partículas cargadas. En estos casos son posibles sistemas de extracción de energía basados ​​en el movimiento de estas cargas. La conversión directa de energía se desarrolló en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en la década de 1980 como un método para mantener un voltaje directamente utilizando productos de reacción de fusión. Esto ha demostrado una eficiencia de captura de energía del 48 por ciento. ^[13]

Comportamiento plasmático

El plasma es un gas ionizado que conduce electricidad. ^[14] En general, se modela utilizando magnetohidrodinámica , que es una combinación de las ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan los fluidos y las ecuaciones de Maxwell que gobiernan cómo se comportan los campos magnéticos y eléctricos . ^[15] Fusion explota varias propiedades del plasma, que incluyen:

• El plasma autoorganizado conduce campos eléctricos y magnéticos. Sus movimientos generan campos que a su vez pueden contenerlo. ^[dieciséis]
• El plasma diamagnético puede generar su propio campo magnético interno. Esto puede rechazar un campo magnético aplicado externamente, volviéndolo diamagnético. ^[17]
• Los espejos magnéticos pueden reflejar el plasma cuando pasa de un campo de baja a alta densidad. ^{[18] :24}

Métodos

Enfoques de fusión, en familias codificadas por colores: Familia Pinch (naranja), Familia Espejo (rojo), Sistemas Cusp (violeta), Tokamaks y Stellarators (verde), Estructuras de plasma (gris), Confinamiento electrostático inercial (amarillo oscuro), Confinamiento inercial Fusion (ICF, azul), Plasma Jet Magneto Inertial Fusion (PJMIF, rosa oscuro).

Confinamiento magnético

• Tokamak : el enfoque mejor desarrollado y mejor financiado. Este método impulsa el plasma caliente en un toro confinado magnéticamente , con una corriente interna. Cuando esté terminado, ITER se convertirá en el tokamak más grande del mundo. En septiembre de 2018, se estimaba que había 226 tokamaks experimentales planificados, desmantelados u operativos (50) en todo el mundo. ^[19]
• Tokamak esférico : también conocido como toro esférico. Una variación del tokamak con forma esférica.
• Stellarator : Anillos retorcidos de plasma caliente. El stellarator intenta crear un camino de plasma retorcido natural, utilizando imanes externos. Los Stellarators fueron desarrollados por Lyman Spitzer en 1950 y evolucionaron en cuatro diseños: Torsatron, Heliotron, Heliac y Helias. Un ejemplo es Wendelstein 7-X , un dispositivo alemán. Es el estelarador más grande del mundo. ^[20]
• Anillos internos: los estelaradores crean un plasma retorcido utilizando imanes externos, mientras que los tokamaks lo hacen utilizando una corriente inducida en el plasma. Varias clases de diseños proporcionan este giro utilizando conductores dentro del plasma. Los primeros cálculos mostraron que las colisiones entre el plasma y los soportes de los conductores eliminarían energía más rápido de lo que las reacciones de fusión podrían reemplazarla. Las variaciones modernas, incluido el Experimento de dipolo levitado (LDX) , utilizan un toro superconductor sólido que levita magnéticamente dentro de la cámara del reactor. ^[21]
• Espejo magnético : Desarrollado por Richard F. Post y equipos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ( LLNL ) en los años 1960. ^[22] Los espejos magnéticos reflejan el plasma de un lado a otro en una línea. Las variaciones incluyeron el espejo Tandem , la botella magnética y la cúspide bicónica . ^[23] El gobierno de Estados Unidos construyó una serie de máquinas de espejos en las décadas de 1970 y 1980, principalmente en LLNL. ^[24] Sin embargo, los cálculos de la década de 1970 estimaron que era poco probable que alguna vez fueran comercialmente útiles.
• Toro lleno de baches : varios espejos magnéticos están dispuestos de un extremo a otro en un anillo toroidal. Todos los iones de combustible que se escapan de uno quedan confinados en un espejo vecino, lo que permite que la presión del plasma aumente arbitrariamente sin pérdidas. Una instalación experimental, ELMO Bumpy Torus o EBT, fue construida y probada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) en la década de 1970.
• Configuración de campo invertido : este dispositivo atrapa el plasma en una estructura casi estable autoorganizada; donde el movimiento de las partículas crea un campo magnético interno que luego se atrapa. ^[25]
• Spheromak : similar a una configuración de campo invertido, una estructura de plasma semiestable creada utilizando el campo magnético autogenerado del plasma. Un esferomak tiene campos toroidales y poloidales, mientras que una configuración de campo invertido no tiene campo toroidal. ^[26]
• Dynomak es un esferoma que se forma y sostiene mediante inyección continua de flujo magnético . ^{[27] [28] [29]}
• Pellizco de campo invertido : aquí el plasma se mueve dentro de un anillo. Tiene un campo magnético interno. Al salir del centro de este anillo, el campo magnético invierte su dirección.

Confinamiento inercial

Gráfico de resultados del NIF de 2012 a 2022

• Impulsión indirecta: los láseres calientan una estructura conocida como Hohlraum que se calienta tanto que comienza a irradiar luz de rayos X. Estos rayos X calientan una pastilla de combustible, lo que hace que colapse hacia adentro para comprimir el combustible. El sistema más grande que utiliza este método es el National Ignition Facility , seguido de cerca por Laser Mégajoule . ^[30]
• Accionamiento directo: los láseres calientan directamente la pastilla de combustible. En el Laboratorio de Energética Láser (LLE) y en las instalaciones de GEKKO XII se han llevado a cabo notables experimentos de accionamiento directo . Las buenas implosiones requieren pastillas de combustible con una forma casi perfecta para generar una onda de choque interna simétrica que produzca el plasma de alta densidad. ^{[ cita necesaria ]}
• Encendido rápido: este método utiliza dos disparos láser. La primera explosión comprime el combustible de fusión, mientras que la segunda lo enciende. A partir de 2019, ^[actualizar]esta técnica había perdido popularidad en la producción de energía. ^[31]
• Fusión magnetoinercial o fusión inercial del revestimiento magnetizado : combina un pulso láser con un pellizco magnético. La comunidad pinch se refiere a ella como fusión inercial de revestimiento magnetizado, mientras que la comunidad ICF se refiere a ella como fusión magnetoinercial. ^[32]
• Haz de iones: Los haces de iones reemplazan a los rayos láser para calentar el combustible. ^[33] La principal diferencia es que el rayo tiene impulso debido a la masa, mientras que los láseres no. A partir de 2019, parece poco probable que los haces de iones puedan enfocarse lo suficiente en el espacio y en el tiempo.
• Máquina Z : envía una corriente eléctrica a través de finos alambres de tungsteno, calentándolos lo suficiente como para generar rayos X. Al igual que el enfoque de impulsión indirecta, estos rayos X comprimen una cápsula de combustible.

Pellizcos magnéticos o eléctricos

• Pellizco en Z : una corriente viaja en la dirección z a través del plasma. La corriente genera un campo magnético que comprime el plasma. Los pellizcos fueron el primer método de fusión controlada creada por humanos. ^{[34] [35]} El z-pinch tiene inestabilidades inherentes que limitan su compresión y calentamiento a valores demasiado bajos para una fusión práctica. La máquina más grande de este tipo, la ZETA del Reino Unido , fue el último gran experimento de este tipo. Los problemas en z-pinch llevaron al diseño del tokamak. El foco de plasma denso es una variación posiblemente superior.
• Pinch theta : una corriente circula alrededor del exterior de una columna de plasma, en la dirección theta. Esto induce un campo magnético que recorre el centro del plasma, en lugar de rodearlo. El primer dispositivo theta-pinch Scylla fue el primero en demostrar de manera concluyente la fusión, pero trabajos posteriores demostraron que tenía límites inherentes que la hacían poco interesante para la producción de energía.
• Z-Pinch estabilizado por flujo cortante: una investigación realizada en la Universidad de Washington bajo la dirección de Uri Shumlak investigó el uso de la estabilización por flujo cortante para suavizar las inestabilidades de los reactores Z-pinch. Esto implica acelerar el gas neutro a lo largo del eje del pellizco. Las máquinas experimentales incluyeron los reactores experimentales FuZE y Zap Flow Z-Pinch. ^[36] En 2017, el inversor y empresario tecnológico británico Benj Conway, junto con los físicos Brian Nelson y Uri Shumlak, cofundaron Zap Energy para intentar comercializar la tecnología para la producción de energía. ^{[37] [38] [39]}
• Pellizco de tornillo: este método combina un pellizco theta y z para mejorar la estabilización. ^[40]

Confinamiento electrostático inercial

• Fusor : Un campo eléctrico calienta iones hasta alcanzar condiciones de fusión. La máquina normalmente utiliza dos jaulas esféricas, un cátodo dentro del ánodo, dentro de un vacío. Estas máquinas no se consideran un enfoque viable para la potencia neta debido a sus altas pérdidas por conducción y radiación . ^[41] Son lo suficientemente simples de construir como para que los aficionados hayan fusionado átomos usándolos. ^[42]
• Polywell : Intenta combinar el confinamiento magnético con campos electrostáticos, para evitar las pérdidas de conducción que genera la jaula. ^[43]

Otro

• Fusión de objetivo magnetizado : confina el plasma caliente mediante un campo magnético y lo comprime mediante inercia. Los ejemplos incluyen la máquina LANL FRX-L, ^[44] General Fusion (compresión de pistón con revestimiento de metal líquido), HyperJet Fusion (compresión por chorro de plasma con revestimiento de plasma). ^{[45] [46]}
• Incontrolado: La fusión ha sido iniciada por el hombre, utilizando explosiones de fisión incontroladas para estimular la fusión. Las primeras propuestas de energía de fusión incluían el uso de bombas para iniciar reacciones. Ver Proyecto PACER .
• Fusión de haz: un haz de partículas de alta energía disparado contra otro haz u objetivo puede iniciar la fusión. Esto se utilizó en las décadas de 1970 y 1980 para estudiar las secciones transversales de reacciones de fusión. ^[6] Sin embargo, los sistemas de haces no se pueden utilizar para generar energía porque mantener un haz coherente requiere más energía de la que proviene de la fusión.
• Fusión catalizada por muones : este enfoque reemplaza los electrones en moléculas diatómicas de isótopos de hidrógeno con muones , partículas más masivas con la misma carga eléctrica . Su mayor masa comprime los núcleos lo suficiente como para que la interacción fuerte pueda provocar la fusión. ^[47] A partir de 2007, la producción de muones requería más energía de la que se puede obtener a partir de la fusión catalizada por muones. ^[48]
• Fusión por confinamiento reticular : La fusión por confinamiento reticular ( LCF ) es un tipo de fusión nuclear en la que metales saturados de deuterón se exponen a radiación gamma o haces de iones, como en un fusor IEC , evitando los plasmas confinados a alta temperatura utilizados en otros métodos de fusión. ^{[49] [50]}

Herramientas comunes

Se emplean muchos enfoques, equipos y mecanismos en múltiples proyectos para abordar el calentamiento, la medición y la producción de energía por fusión. ^[51]

Redes neuronales

Se ha utilizado un sistema de aprendizaje por refuerzo profundo para controlar un reactor basado en tokamak . La IA pudo manipular las bobinas magnéticas para gestionar el plasma. El sistema pudo ajustarse continuamente para mantener un comportamiento apropiado (más complejo que los sistemas basados ​​en pasos). En 2014, Google comenzó a trabajar con la empresa de fusión TAE Technologies , con sede en California, para controlar el Joint European Torus (JET) para predecir el comportamiento del plasma. ^[52] DeepMind también ha desarrollado un esquema de control con TCV . ^[53]

Calefacción

• Calentamiento electrostático: un campo eléctrico puede realizar trabajo sobre iones o electrones cargados, calentándolos. ^[54]
• Inyección de haz neutro : el hidrógeno se ioniza y acelera mediante un campo eléctrico para formar un haz cargado que se proyecta a través de una fuente de gas hidrógeno neutro hacia el plasma, que a su vez está ionizado y contenido por un campo magnético. Una parte del gas hidrógeno intermedio se acelera hacia el plasma mediante colisiones con el haz cargado mientras permanece neutro: este haz neutro no se ve afectado por el campo magnético y así llega al plasma. Una vez dentro del plasma, el haz neutro transmite energía al plasma mediante colisiones que lo ionizan y permiten que el campo magnético lo contenga, calentando y reabasteciendo de combustible el reactor en una sola operación. El resto del haz cargado se desvía mediante campos magnéticos hacia vertederos de haz enfriados. ^[55]
• Calentamiento por radiofrecuencia: una onda de radio hace que el plasma oscile (es decir, horno microondas ). Esto también se conoce como calentamiento por resonancia ciclotrón de electrones , utilizando por ejemplo girotrones , o calentamiento dieléctrico . ^[56]
• Reconexión magnética : cuando el plasma se vuelve denso, sus propiedades electromagnéticas pueden cambiar, lo que puede provocar una reconexión magnética . La reconexión ayuda a la fusión porque vierte instantáneamente energía en un plasma, calentándolo rápidamente. Hasta el 45% de la energía del campo magnético puede calentar los iones. ^{[57] [58]}
• Oscilaciones magnéticas: se pueden suministrar corrientes eléctricas variables a bobinas magnéticas que calientan el plasma confinado dentro de una pared magnética. ^[59]
• Aniquilación de antiprotones: los antiprotones inyectados en una masa de combustible de fusión pueden inducir reacciones termonucleares. Esta posibilidad como método de propulsión de naves espaciales, conocida como propulsión por impulsos nucleares catalizada por antimateria , fue investigada en la Universidad Estatal de Pensilvania en relación con el proyecto AIMStar propuesto . ^{[ cita necesaria ]}

Medición

Los diagnósticos de un reactor científico de fusión son extremadamente complejos y variados. ^[60] Los diagnósticos necesarios para un reactor de energía de fusión serán diversos, pero menos complicados que los de un reactor científico, ya que, en el momento de la comercialización, muchos diagnósticos de control y retroalimentación en tiempo real se habrán perfeccionado. Sin embargo, el entorno operativo de un reactor de fusión comercial será más duro para los sistemas de diagnóstico que en un reactor científico porque las operaciones continuas pueden implicar temperaturas de plasma más altas y niveles más altos de irradiación de neutrones. En muchos enfoques propuestos, la comercialización requerirá la capacidad adicional de medir y separar gases desviadores, por ejemplo, helio e impurezas, y monitorear la generación de combustible, por ejemplo, el estado de un revestimiento de litio líquido generador de tritio. ^[61] Las siguientes son algunas técnicas básicas.

• Bucle de flujo : se inserta un bucle de alambre en el campo magnético. A medida que el campo pasa a través del bucle, se crea una corriente. La corriente mide el flujo magnético total a través de ese bucle. Esto se ha utilizado en el Experimento Nacional Compact Stellarator , ^[62] el Polywell , ^[63] y las máquinas LDX . Se puede emplear una sonda Langmuir , un objeto metálico colocado en un plasma. Se le aplica un potencial, dándole un voltaje contra el plasma circundante. El metal recoge partículas cargadas y genera una corriente. A medida que cambia el voltaje, cambia la corriente. Esto forma una curva IV . La curva IV se puede utilizar para determinar la densidad, el potencial y la temperatura del plasma local. ^[64]
• Dispersión de Thomson : las "dispersiones de luz" del plasma se pueden utilizar para reconstruir el comportamiento del plasma, incluidas la densidad y la temperatura. Es común en la fusión por confinamiento inercial , ^[65] Tokamaks , ^[66] y fusores . En los sistemas ICF, disparar un segundo haz a una lámina de oro adyacente al objetivo genera rayos X que atraviesan el plasma. En los tokamaks, esto se puede hacer utilizando espejos y detectores para reflejar la luz.
• Detectores de neutrones : varios tipos de detectores de neutrones pueden registrar la velocidad a la que se producen los neutrones. ^{[67] [68]}
• Detectores de rayos X Los rayos visibles, IR, UV y X se emiten cada vez que una partícula cambia de velocidad. ^[69] Si el motivo es la desviación por un campo magnético, la radiación es radiación ciclotrón a bajas velocidades y radiación sincrotrón a altas velocidades. Si el motivo es la desviación por otra partícula, el plasma irradia rayos X, lo que se conoce como radiación Bremsstrahlung . ^[70]

Producción de energía

Las mantas de neutrones absorben neutrones, lo que calienta la manta. La energía se puede extraer de la manta de varias maneras:

• Las turbinas de vapor pueden funcionar mediante calor transferido a un fluido de trabajo que se convierte en vapor y acciona generadores eléctricos. ^[71]
• Mantas de neutrones: estos neutrones pueden regenerar el combustible de fisión gastado. ^[72] El tritio se puede producir utilizando una capa reproductora de litio líquido o un lecho de guijarros enfriado con helio hecho de guijarros cerámicos que contienen litio. ^[73]
• Conversión directa : La energía cinética de una partícula se puede convertir en voltaje . ^[22] Fue sugerido por primera vez por Richard F. Post junto con espejos magnéticos , a finales de la década de 1960. Se ha propuesto para configuraciones de campo invertido , así como para dispositivos de enfoque de plasma denso . El proceso convierte una gran fracción de la energía aleatoria de los productos de fusión en movimiento dirigido. Luego, las partículas se recogen en electrodos con varios potenciales eléctricos grandes. Este método ha demostrado una eficiencia experimental del 48 por ciento. ^[74]
• Los tubos de ondas progresivas hacen pasar átomos de helio cargados a varios megavoltios y apenas salen de la reacción de fusión a través de un tubo con una bobina de alambre alrededor del exterior. Esta carga que pasa a alto voltaje atrae la electricidad a través del cable.

Confinamiento

Espacio de parámetros ocupado por dispositivos de energía de fusión inercial y energía de fusión magnética a mediados de la década de 1990. El régimen que permite la ignición termonuclear con alta ganancia se encuentra cerca de la esquina superior derecha del gráfico.

El confinamiento se refiere a todas las condiciones necesarias para mantener un plasma denso y caliente el tiempo suficiente para sufrir fusión. Principios generales:

• Equilibrio : Las fuerzas que actúan sobre el plasma deben estar equilibradas. Una excepción es el confinamiento inercial , donde la fusión debe ocurrir más rápido que el tiempo de dispersión.
• Estabilidad : El plasma debe construirse de manera que las perturbaciones no provoquen su dispersión.
• Transporte o conducción : La pérdida de material debe ser suficientemente lenta. ^[7] El plasma se lleva consigo energía, por lo que la rápida pérdida de material interrumpirá la fusión. El material se puede perder por transporte a diferentes regiones o por conducción a través de un sólido o líquido.

Para producir una fusión autosostenida, parte de la energía liberada por la reacción debe usarse para calentar nuevos reactivos y mantener las condiciones para la fusión.

Confinamiento magnético

Espejo magnético

Efecto espejo magnético . Si una partícula sigue la línea de campo y entra en una región de mayor intensidad de campo, las partículas pueden reflejarse. Varios dispositivos aplican este efecto. Las más famosas fueron las máquinas de espejos magnéticos, una serie de dispositivos construidos en LLNL entre los años 1960 y 1980. ^[75] Otros ejemplos incluyen botellas magnéticas y cúspides bicónicas . ^[76] Debido a que las máquinas de espejo eran rectas, tenían algunas ventajas sobre los diseños en forma de anillo. Los espejos eran más fáciles de construir y mantener y la captura de energía por conversión directa era más fácil de implementar. ^[13] El confinamiento deficiente llevó a que se abandonara este enfoque, excepto en el diseño de polipozos. ^[77]

Bucles magnéticos

Los bucles magnéticos doblan las líneas de campo sobre sí mismas, ya sea en círculos o, más comúnmente, en superficies toroidales anidadas . Los sistemas más desarrollados de este tipo son el tokamak , el stellarator y el pinch de campo invertido. Los toroides compactos , especialmente la configuración de campo invertido y el esferoma, intentan combinar las ventajas de las superficies magnéticas toroidales con las de una máquina simplemente conectada (no toroidal), lo que da como resultado un área de confinamiento mecánicamente más simple y más pequeña.

Confinamiento inercial

El láser Electra del Laboratorio de Investigación Naval realiza 90.000 disparos en 10 horas, repetición necesaria para la central eléctrica del IFE.

El confinamiento inercial es el uso de una implosión rápida para calentar y confinar plasma. Un proyectil que rodea el combustible implosiona mediante una explosión láser directa (impulsión directa), una explosión secundaria de rayos X (impulsión indirecta) o rayos pesados. El combustible debe comprimirse hasta unas 30 veces la densidad del sólido con haces energéticos. En principio, la propulsión directa puede ser eficiente, pero una uniformidad insuficiente ha impedido el éxito. ^{[78] :19–20} La propulsión indirecta utiliza rayos para calentar un proyectil, lo que hace que el proyectil irradie rayos X , que luego implosionan el perdigón. Los haces suelen ser rayos láser, pero se han investigado haces de iones y electrones. ^{[78] : 182–193}

Confinamiento electrostático

Los dispositivos de fusión por confinamiento electrostático utilizan campos electrostáticos. El más conocido es el fusor . Este dispositivo tiene un cátodo dentro de una jaula de alambre anódico. Los iones positivos vuelan hacia la jaula interior negativa y al mismo tiempo son calentados por el campo eléctrico. Si no alcanzan la jaula interior, pueden chocar y fusionarse. Sin embargo, los iones normalmente golpean el cátodo, creando pérdidas de conducción prohibitivamente altas . Las tasas de fusión en los fusores son bajas debido a efectos físicos competitivos, como la pérdida de energía en forma de radiación luminosa. ^[79] Se han propuesto diseños para evitar los problemas asociados con la jaula, generando el campo utilizando una nube no neutral. Estos incluyen un dispositivo oscilante de plasma, ^[80] una rejilla blindada magnéticamente, ^[81] una trampa de escritura , el polipozo , ^[82] y el concepto de controlador de cátodo F1. ^[83]

Combustibles

Todos los combustibles considerados para la energía de fusión han sido elementos ligeros como los isótopos del hidrógeno: protio , deuterio y tritio . ^[6] La reacción de deuterio y helio-3 requiere helio-3, un isótopo de helio tan escaso en la Tierra que tendría que extraerse extraterrestre o producirse mediante otras reacciones nucleares. En última instancia, los investigadores esperan adoptar la reacción protio-boro-11, porque no produce neutrones directamente, aunque sí pueden producirse reacciones secundarias. ^[84]

Deuterio, tritio

Diagrama de la reacción DT.

La reacción nuclear más fácil, con la energía más baja, es D+T:

2 1D+3 1t→⁴
₂Él
(3,5 MeV) +¹
₀norte
(14,1 MeV)

Esta reacción es común en aplicaciones de investigación, industriales y militares, generalmente como fuente de neutrones. El deuterio es un isótopo natural del hidrógeno y está comúnmente disponible. La gran proporción de masas de los isótopos de hidrógeno facilita su separación en comparación con el proceso de enriquecimiento de uranio . El tritio es un isótopo natural del hidrógeno, pero debido a que tiene una vida media corta de 12,32 años, es difícil de encontrar, almacenar, producir y es caro. En consecuencia, el ciclo del combustible deuterio-tritio requiere la obtención de tritio a partir de litio mediante una de las siguientes reacciones:

¹
₀norte
+⁶
₃li
→³
₁t
+⁴
₂Él

¹
₀norte
+⁷
₃li
→³
₁t
+⁴
₂Él
+¹
₀norte

El neutrón reactivo es suministrado por la reacción de fusión DT que se muestra arriba, y es la que tiene mayor rendimiento energético. La reacción con ⁶ Li es exotérmica , proporcionando una pequeña ganancia de energía para el reactor. La reacción con ⁷ Li es endotérmica , pero no consume el neutrón. Se requieren reacciones de multiplicación de neutrones para reemplazar los neutrones perdidos por la absorción por otros elementos. Los principales materiales candidatos para la multiplicación de neutrones son el berilio y el plomo , pero la reacción del ⁷ Li ayuda a mantener alta la población de neutrones. El litio natural es principalmente de ⁷ Li, que tiene una sección transversal de producción de tritio baja en comparación con los ⁶ Li, por lo que la mayoría de los diseños de reactores utilizan mantas de reproducción con ⁶ Li enriquecido .

Los inconvenientes comúnmente atribuidos a la energía de fusión DT incluyen:

• El suministro de neutrones da como resultado la activación neutrónica de los materiales del reactor. ^{[85] :242}
• El 80% de la energía resultante es absorbida por neutrones, lo que limita el uso de la conversión directa de energía. ^[86]
• Requiere el radioisótopo tritio. El tritio puede escaparse de los reactores. Algunas estimaciones sugieren que esto representaría una liberación sustancial de radiactividad ambiental. ^[87]

El flujo de neutrones esperado en un reactor de fusión DT comercial es aproximadamente 100 veces mayor que el de los reactores de potencia de fisión, lo que plantea problemas para el diseño de materiales . Después de una serie de pruebas DT en JET , el recipiente de vacío era lo suficientemente radiactivo como para requerir manipulación remota durante el año siguiente a las pruebas. ^[88]

En un entorno de producción, los neutrones reaccionarían con el litio en la capa de reproducción compuesta de guijarros cerámicos de litio o litio líquido, produciendo tritio. La energía de los neutrones acaba en el litio, que luego se transferiría para impulsar la producción eléctrica. La capa de litio protege las partes exteriores del reactor del flujo de neutrones. Los diseños más nuevos, en particular el tokamak avanzado, utilizan litio dentro del núcleo del reactor como elemento de diseño. El plasma interactúa directamente con el litio, evitando un problema conocido como "reciclaje". La ventaja de este diseño quedó demostrada en el Experimento Tokamak de Litio .

Deuterio

Sección transversal de fusión de deuterio (en metros cuadrados) a diferentes energías de colisión de iones

La fusión de dos núcleos de deuterio es la segunda reacción de fusión más sencilla. La reacción tiene dos ramas que ocurren con casi la misma probabilidad:

Esta reacción también es común en la investigación. La energía óptima para iniciar esta reacción es 15 keV, sólo ligeramente superior a la de la reacción DT. La primera rama produce tritio, por lo que un reactor DD no está libre de tritio, aunque no requiere un aporte de tritio o litio. A menos que los tritones se eliminen rápidamente, la mayor parte del tritio producido se quema en el reactor, lo que reduce la manipulación del tritio, con la desventaja de producir más neutrones y de mayor energía. El neutrón de la segunda rama de la reacción DD tiene una energía de sólo 2,45 MeV (0,393 pJ), mientras que el neutrón de la reacción DT tiene una energía de 14,1 MeV (2,26 pJ), lo que resulta en una mayor producción de isótopos y daños materiales. Cuando los tritones se eliminan rápidamente y se permite que el ³ He reaccione, el ciclo del combustible se denomina "fusión suprimida por tritio". ^[89] El tritio eliminado se desintegra a ³ He con una vida media de 12,5 años. Al reciclar el ³ He desintegrado en el reactor, el reactor de fusión no requiere materiales resistentes a los neutrones rápidos.

Suponiendo que el tritio se queme por completo, la reducción de la fracción de energía de fusión transportada por los neutrones sería sólo de alrededor del 18%, de modo que la principal ventaja del ciclo del combustible DD es que no se requiere reproducción de tritio. Otras ventajas son la independencia de los recursos de litio y un espectro de neutrones algo más suave. La desventaja de DD respecto a DT es que el tiempo de confinamiento de energía (a una presión dada) debe ser 30 veces mayor y la energía producida (a una presión y volumen dados) es 68 veces menor. ^{[ cita necesaria ]}

Suponiendo la eliminación completa del tritio y el reciclaje ^{de 3} He, sólo el 6% de la energía de fusión es transportada por neutrones. La fusión DD suprimida con tritio requiere un confinamiento energético 10 veces mayor que el DT y el doble de la temperatura del plasma. ^[90]

Deuterio, helio-3

Un enfoque de segunda generación para la energía de fusión controlada implica combinar helio-3 ( ³ He) y deuterio ( ² H):

Esta reacción produce ⁴ He y un protón de alta energía. Al igual que con el ciclo del combustible de fusión aneutrónica p- ¹¹ B , la mayor parte de la energía de la reacción se libera en forma de partículas cargadas, lo que reduce la activación de la carcasa del reactor y permite potencialmente una recolección de energía más eficiente (a través de cualquiera de varias vías). ^[91] En la práctica, las reacciones secundarias DD producen un número significativo de neutrones, dejando p- ¹¹ B como el ciclo preferido para la fusión aneutrónica. ^[91]

Protón, boro-11

Tanto los problemas de la ciencia material como las preocupaciones sobre la no proliferación se ven enormemente disminuidos por la fusión aneutrónica . Teóricamente, el combustible aneutrónico más reactivo es el ³ He. Sin embargo, obtener cantidades razonables de ³ He implica minería extraterrestre a gran escala en la Luna o en la atmósfera de Urano o Saturno. Por lo tanto, el combustible candidato más prometedor para dicha fusión es la fusión del protio (es decir, un protón ) y boro, fácilmente disponibles . Su fusión no libera neutrones, pero produce partículas alfa (helio) cargadas de energía cuya energía se puede convertir directamente en energía eléctrica:

p + ¹¹ B → 3  ⁴ Él

Es probable que las reacciones secundarias produzcan neutrones que transportan sólo alrededor del 0,1% de la potencia, ^{[92] :177-182} , lo que significa que la dispersión de neutrones no se utiliza para la transferencia de energía y la activación del material se reduce varios miles de veces. La temperatura óptima para esta reacción de 123 keV ^[93] es casi diez veces mayor que la de las reacciones de hidrógeno puro, y el confinamiento energético debe ser 500 veces mejor que el requerido para la reacción DT. Además, la densidad de potencia es 2.500 veces menor que la del DT, aunque por unidad de masa de combustible sigue siendo considerablemente mayor que la de los reactores de fisión.

Debido a que las propiedades de confinamiento de la fusión de tokamak y pellet láser son marginales, la mayoría de las propuestas de fusión aneutrónica se basan en conceptos de confinamiento radicalmente diferentes, como Polywell y Dense Plasma Focus . En 2013, un equipo de investigación dirigido por Christine Labaune en la École Polytechnique , informó sobre un nuevo récord de tasa de fusión para la fusión protón-boro, con un estimado de 80 millones de reacciones de fusión durante un disparo láser de 1,5 nanosegundos, 100 veces mayor que lo informado en experimentos anteriores. ^{[94] [95]}

Selección de materiales

La estabilidad del material estructural es una cuestión crítica. ^{[96] [97]} Los materiales que pueden sobrevivir a las altas temperaturas y al bombardeo de neutrones experimentados en un reactor de fusión se consideran clave para el éxito. ^{[98] [96]} Los problemas principales son las condiciones generadas por el plasma, la degradación de neutrones de las superficies de las paredes y la cuestión relacionada con las condiciones de la superficie de las paredes del plasma. ^{[99] [100]} Reducir la permeabilidad del hidrógeno se considera crucial para el reciclaje de hidrógeno ^[101] y el control del inventario de tritio. ^[102] Los materiales con la menor solubilidad y difusividad del hidrógeno a granel proporcionan los candidatos óptimos para barreras estables. Se han investigado algunos metales puros, incluidos el tungsteno y el berilio, ^[103] y compuestos como carburos, óxidos densos y nitruros. Las investigaciones han puesto de relieve que las técnicas de recubrimiento para preparar barreras perfectas y bien adheridas tienen una importancia equivalente. Las técnicas más atractivas son aquellas en las que se forma una capa publicitaria únicamente mediante oxidación. Los métodos alternativos utilizan entornos de gas específicos con fuertes campos magnéticos y eléctricos. La evaluación del desempeño de la barrera representa un desafío adicional. La permeación de gas con membranas recubiertas clásicas sigue siendo el método más confiable para determinar la eficiencia de la barrera de permeación de hidrógeno (HPB). ^[102] En 2021, en respuesta al creciente número de diseños de reactores de energía de fusión para 2040, la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido publicó la Hoja de ruta de materiales de fusión del Reino Unido 2021-2040, centrándose en cinco áreas prioritarias, con especial atención en los reactores de la familia tokamak:

• Nuevos materiales para minimizar la cantidad de activación en la estructura de la central de fusión;
• Compuestos que pueden usarse dentro de la planta de energía para optimizar la producción de combustible de tritio para sostener el proceso de fusión;
• Imanes y aislantes resistentes a la irradiación de reacciones de fusión, especialmente en condiciones criogénicas;
• Materiales estructurales capaces de conservar su resistencia bajo bombardeo de neutrones a altas temperaturas de funcionamiento (más de 550 grados C);
• Garantía de ingeniería para materiales de fusión: proporciona datos de muestras irradiadas y predicciones modeladas de modo que los diseñadores, operadores y reguladores de plantas tengan confianza en que los materiales son adecuados para su uso en futuras centrales eléctricas comerciales.

Materiales superconductores

SuperOx pudo producir más de 186 millas de alambre YBCO en nueve meses para su uso en imanes de reactores de fusión, superando dramáticamente los objetivos de producción anteriores de la compañía.

En un plasma que está incrustado en un campo magnético (conocido como plasma magnetizado), la velocidad de fusión aumenta como la intensidad del campo magnético a la cuarta potencia. Por esta razón, muchas empresas de fusión que dependen de campos magnéticos para controlar su plasma están intentando desarrollar dispositivos superconductores de alta temperatura. En 2021, SuperOx, una empresa rusa y japonesa, desarrolló un nuevo proceso de fabricación para fabricar alambre YBCO superconductor para reactores de fusión. Se demostró que este nuevo cable conduce entre 700 y 2000 amperios por milímetro cuadrado. La empresa pudo producir 300 kilómetros de alambre en nueve meses. ^[104]

Consideraciones de contención

Incluso en escalas de producción más pequeñas, el aparato de contención está lleno de materia y energía. Los diseños para la contención de plasma deben considerar:

• Un ciclo de calefacción y refrigeración, hasta una carga térmica de 10 MW/m ² .
• Radiación de neutrones , que con el tiempo provoca la activación de neutrones y la fragilización .
• Iones de alta energía que salen a decenas o cientos de electronvoltios .
• Partículas alfa que salen a millones de electronvoltios .
• Electrones que salen a alta energía.
• Radiación luminosa (IR, visible, UV, rayos X).

Dependiendo del enfoque, estos efectos pueden ser mayores o menores que los de los reactores de fisión. ^[105] Una estimación sitúa la radiación en 100 veces la de un reactor de agua a presión típico . ^{[ cita necesaria ]} Dependiendo del enfoque, otras consideraciones como la conductividad eléctrica , la permeabilidad magnética y la resistencia mecánica son importantes. Los materiales tampoco deben terminar como residuos radiactivos de larga vida . ^[96]

Condiciones de la superficie de la pared de plasma.

Para un uso a largo plazo, se espera que cada átomo de la pared sea golpeado por un neutrón y desplazado unas 100 veces antes de que se reemplace el material. Los neutrones de alta energía producen hidrógeno y helio mediante reacciones nucleares que tienden a formar burbujas en los límites de los granos y provocan hinchazón, formación de ampollas o fragilización. ^[105]

Selección de materiales

Los materiales con bajo Z , como el grafito o el berilio , generalmente se prefieren a los materiales con alto Z, generalmente tungsteno y molibdeno como segunda opción. ^[102] Se han propuesto metales líquidos (litio, galio , estaño ), por ejemplo, mediante inyección de corrientes de 1 a 5 mm de espesor que fluyen a 10 m/s sobre sustratos sólidos. ^{[ cita necesaria ]}

El grafito presenta una tasa de erosión bruta debido a la pulverización física y química que asciende a muchos metros por año, lo que requiere la redeposición del material pulverizado. El sitio de redeposición generalmente no coincide exactamente con el sitio de pulverización catódica, lo que permite una erosión neta que puede ser prohibitiva. Un problema aún mayor es que el tritio se vuelve a depositar con el grafito redepositado. El tritio acumulado en las paredes y en el polvo podría alcanzar muchos kilogramos, lo que representaría un desperdicio de recursos y un peligro radiológico en caso de accidente. El grafito encontró aceptación como material para experimentos de corta duración, pero parece poco probable que se convierta en el principal material de revestimiento de plasma (PFM) en un reactor comercial. ^{[96] [106]}

La tasa de pulverización catódica del tungsteno es órdenes de magnitud menor que la del carbono, y el tritio se incorpora mucho menos al tungsteno redepositado. Sin embargo, las impurezas del plasma de tungsteno son mucho más dañinas que las impurezas de carbono, y la autochisporroteo puede ser alta, lo que requiere que el plasma en contacto con el tungsteno no esté demasiado caliente (unas pocas decenas de eV en lugar de cientos de eV). El tungsteno también tiene problemas relacionados con las corrientes parásitas y el derretimiento en eventos anormales, así como algunos problemas radiológicos. ^[96]

Seguridad y medio ambiente

Potencial de accidente

El potencial de accidentes y los efectos sobre el medio ambiente son fundamentales para la aceptación social de la fusión nuclear, también conocida como licencia social . ^[107] Los reactores de fusión no están sujetos a fusiones catastróficas . ^[108] Requiere parámetros precisos y controlados de temperatura, presión y campo magnético para producir energía neta, y cualquier daño o pérdida del control requerido apagaría rápidamente la reacción. ^[109] Los reactores de fusión funcionan con segundos o incluso microsegundos de combustible en cualquier momento. Sin un repostaje activo, las reacciones se apagan inmediatamente. ^[108]

Las mismas limitaciones impiden reacciones descontroladas. Aunque se espera que el plasma tenga un volumen de 1.000 m ³ (35.000 pies cúbicos) o más, el plasma normalmente contiene sólo unos pocos gramos de combustible. ^[108] En comparación, un reactor de fisión normalmente se carga con suficiente combustible para meses o años, y no es necesario combustible adicional para continuar la reacción. Esta gran oferta de combustible es lo que ofrece la posibilidad de una fusión. ^[110]

En la contención magnética, se desarrollan fuertes campos en bobinas que se mantienen mecánicamente en su lugar mediante la estructura del reactor. Una falla de esta estructura podría liberar esta tensión y permitir que el imán "explote" hacia afuera. La gravedad de este evento sería similar a la de otros accidentes industriales o la explosión/apagado de una máquina de resonancia magnética , y podría contenerse efectivamente dentro de un edificio de contención similar a los utilizados en los reactores de fisión.

En la contención inercial impulsada por láser, el mayor tamaño de la cámara de reacción reduce la tensión sobre los materiales. Aunque es posible que falle la cámara de reacción, detener el suministro de combustible evita una falla catastrófica. ^[111]

La mayoría de los diseños de reactores dependen del hidrógeno líquido como refrigerante y para convertir los neutrones perdidos en tritio , que se devuelve al reactor como combustible. El hidrógeno es inflamable y es posible que el hidrógeno almacenado en el sitio pueda encenderse. En este caso, la fracción de tritio del hidrógeno entraría a la atmósfera, suponiendo un riesgo de radiación. Los cálculos sugieren que en una central eléctrica típica estaría presente aproximadamente 1 kilogramo (2,2 libras) de tritio y otros gases radiactivos. La cantidad es lo suficientemente pequeña como para diluirse hasta límites legalmente aceptables cuando lleguen a la cerca perimetral de la estación . ^[112]

Se estima que la probabilidad de que se produzcan pequeños accidentes industriales, incluida la liberación local de radiactividad y lesiones al personal, es menor en comparación con la fisión. Incluirían liberaciones accidentales de litio o tritio o mal manejo de componentes radiactivos del reactor. ^[111]

Enfriamiento magnético

Un apagado magnético es una terminación anormal del funcionamiento del imán que se produce cuando parte de la bobina superconductora sale del estado superconductor (se vuelve normal). Esto puede ocurrir porque el campo dentro del imán es demasiado grande, la tasa de cambio del campo es demasiado grande (provocando corrientes parásitas y el calentamiento resultante en la matriz de soporte de cobre) o una combinación de ambos.

Más raramente, un defecto magnético puede provocar un enfriamiento. Cuando esto sucede, ese lugar en particular está sujeto a un rápido calentamiento Joule debido a la corriente, lo que eleva la temperatura de las regiones circundantes. Esto también empuja a esas regiones al estado normal, lo que conduce a un mayor calentamiento en una reacción en cadena. Todo el imán se normaliza rápidamente en varios segundos, dependiendo del tamaño de la bobina superconductora. Esto va acompañado de un fuerte estallido cuando la energía del campo magnético se convierte en calor y el fluido criogénico se evapora. La disminución abrupta de la corriente puede provocar picos de voltaje inductivo de kilovoltios y arcos. El daño permanente al imán es poco común, pero los componentes pueden dañarse por calentamiento localizado, altos voltajes o grandes fuerzas mecánicas.

En la práctica, los imanes suelen tener dispositivos de seguridad para detener o limitar la corriente cuando se detecta un enfriamiento. Si un imán grande se apaga, el vapor inerte formado por el fluido criogénico que se evapora puede presentar un riesgo significativo de asfixia para los operadores al desplazar el aire respirable.

Una gran sección de los imanes superconductores del Gran Colisionador de Hadrones del CERN se apagó inesperadamente durante las operaciones de puesta en marcha en 2008, destruyendo múltiples imanes. ^[113] Para evitar una recurrencia, los imanes superconductores del LHC están equipados con calentadores de rampa rápida que se activan cuando se detecta un evento de extinción. Los imanes de flexión dipolo están conectados en serie. Cada circuito de energía incluye 154 imanes individuales y, si ocurre un evento de extinción, toda la energía almacenada combinada de estos imanes debe descartarse de inmediato. Esta energía se transfiere a enormes bloques de metal que se calientan hasta varios cientos de grados Celsius (debido al calentamiento resistivo) en segundos. El enfriamiento de un imán es un "evento bastante rutinario" durante el funcionamiento de un acelerador de partículas. ^[114]

Efluentes

El producto natural de la reacción de fusión es una pequeña cantidad de helio , que es inofensivo para la vida. El peligroso tritio es difícil de retener por completo. Durante el funcionamiento normal, se libera tritio continuamente. ^[111]

Aunque el tritio es volátil y biológicamente activo, el riesgo para la salud que representa una liberación es mucho menor que el de la mayoría de los contaminantes radiactivos, debido a la corta vida media del tritio (12,32 años) y a su muy baja energía de desintegración (~14,95 keV), y porque no se bioacumula (sale del cuerpo en forma de agua, con una vida media biológica de 7 a 14 días). ^[115] El ITER incorpora instalaciones de contención total del tritio. ^[116]

Desecho radioactivo

Los reactores de fusión crean mucho menos material radiactivo que los reactores de fisión. Además, el material que crea es menos dañino biológicamente y la radiactividad se disipa en un período de tiempo que está dentro de las capacidades de ingeniería existentes para el almacenamiento seguro de desechos a largo plazo. ^[117] En términos específicos, excepto en el caso de la fusión aneutrónica , ^{[118] [119]} el flujo de neutrones vuelve radiactivos los materiales estructurales. La cantidad de material radiactivo en el momento del apagado puede ser comparable a la de un reactor de fisión, con diferencias importantes. Las vidas medias de los radioisótopos de fusión y activación de neutrones tienden a ser menores que las de la fisión, por lo que el peligro disminuye más rápidamente. Mientras que los reactores de fisión producen desechos que permanecen radiactivos durante miles de años, el material radiactivo en un reactor de fusión (distinto del tritio) sería el propio núcleo del reactor y la mayor parte de éste sería radiactivo durante unos 50 años, mientras que otros desechos de baja actividad se radioactivo durante otros 100 años más o menos a partir de entonces. ^[120] La corta vida media de los residuos de fusión elimina el desafío del almacenamiento a largo plazo. Dentro de 500 años, el material tendría la misma radiotoxicidad que las cenizas de carbón . ^[112] No obstante, la clasificación como residuos de actividad intermedia en lugar de residuos de actividad baja puede complicar los debates sobre seguridad. ^{[121] [117]}

La elección de materiales está menos limitada que en la fisión convencional, donde se requieren muchos materiales para sus secciones transversales de neutrones específicas . Los reactores de fusión se pueden diseñar utilizando materiales de "baja activación", que no se vuelven radiactivos fácilmente. El vanadio , por ejemplo, se vuelve mucho menos radiactivo que el acero inoxidable . ^{[122] Los materiales} de fibra de carbono también son de baja activación, son fuertes y livianos, y son prometedores para reactores inerciales láser donde no se requiere un campo magnético. ^[123]

Proliferación nuclear

En algunos escenarios, la tecnología de energía de fusión podría adaptarse para producir materiales con fines militares. Una central eléctrica de fusión podría producir una enorme cantidad de tritio ; El tritio se utiliza en el detonador de bombas de hidrógeno y en armas modernas de fisión potenciada , pero se puede producir de otras formas. Los neutrones energéticos de un reactor de fusión podrían usarse para generar plutonio o uranio apto para armas para una bomba atómica (por ejemplo, mediante la transmutación de²³⁸
U a²³⁹
Pu , o²³²
Th a²³³
U ).

Un estudio realizado en 2011 evaluó tres escenarios: ^[124]

• Estación de fusión a pequeña escala: debido al consumo de energía mucho mayor, la disipación de calor y un diseño más reconocible en comparación con las centrífugas de gas de enriquecimiento , esta elección sería mucho más fácil de detectar y, por lo tanto, inverosímil. ^[124]
• Instalación comercial: El potencial de producción es significativo. Pero en un sistema de fusión civil no es necesario que haya ninguna sustancia fértil o fisionable necesaria para la producción de materiales utilizables para armas. Si no están protegidos, la detección de estos materiales se puede realizar mediante su radiación gamma característica . El rediseño subyacente podría detectarse mediante una verificación periódica de la información del diseño. En el caso (técnicamente más factible) de módulos de manta reproductora sólida, sería necesario inspeccionar los componentes entrantes para detectar la presencia de material fértil, ^[124] de lo contrario se podría producir plutonio para varias armas cada año. ^[125]
• Priorizar el material apto para armas independientemente del secreto: la forma más rápida de producir material utilizable para armas se vio modificando una central eléctrica de fusión civil. No se requiere material compatible con armas durante el uso civil. Incluso sin la necesidad de una acción encubierta, una modificación de este tipo tardaría unos dos meses en iniciar la producción y al menos una semana adicional en generar una cantidad significativa. Se consideró que era tiempo suficiente para detectar un uso militar y reaccionar con medios diplomáticos o militares. Para detener la producción, sería suficiente una destrucción militar de partes de la instalación dejando fuera el reactor. ^[124]

Otro estudio concluyó que "... los grandes reactores de fusión, incluso si no están diseñados para la producción de material fisionable, podrían producir fácilmente varios cientos de kg de Pu por año con armas de alta calidad y requisitos de material de origen muy bajos". Se destacó que la implementación de características para la resistencia intrínseca a la proliferación tal vez sólo sea posible en una fase temprana de investigación y desarrollo. ^[125] Las herramientas teóricas y computacionales necesarias para el diseño de bombas de hidrógeno están estrechamente relacionadas con las necesarias para la fusión por confinamiento inercial , pero tienen muy poco en común con la fusión por confinamiento magnético.

Reservas de combustible

La energía de fusión propone comúnmente el uso de deuterio como combustible y muchos diseños actuales también utilizan litio . Suponiendo una producción de energía de fusión igual a la producción de energía global de 1995 de aproximadamente 100 E J/año (= 1 × 10 ²⁰ J/año) y que esto no aumente en el futuro, lo cual es poco probable, entonces las reservas actuales conocidas de litio durarían 3000 años. Sin embargo, el litio del agua de mar duraría 60 millones de años, y un proceso de fusión más complicado que utilice sólo deuterio tendría combustible para 150 mil millones de años. ^[126] Para poner esto en contexto, 150 mil millones de años es cerca de 30 veces la vida útil restante del Sol, ^[127] y más de 10 veces la edad estimada del universo.

Ciencias económicas

La UE gastó casi 10 mil millones de euros durante la década de 1990. ^[128] ITER representa una inversión de más de veinte mil millones de dólares, y posiblemente decenas de miles de millones más, incluidas las contribuciones en especie . ^{[129] [130] En el marco del} Sexto Programa Marco de la Unión Europea , la investigación sobre fusión nuclear recibió 750 millones de euros (además de la financiación del ITER), en comparación con 810 millones de euros para la investigación sobre energía sostenible, ^[131] colocando la investigación sobre energía de fusión muy por delante de la de cualquier tecnología rival. El Departamento de Energía de los Estados Unidos ha asignado entre 367 y 671 millones de dólares cada año desde 2010, alcanzando un máximo en 2020, ^[132] con planes de reducir la inversión a 425 millones de dólares en su solicitud de presupuesto para el año fiscal 2021. ^[133] Aproximadamente una cuarta parte de este presupuesto se destina a apoyar el ITER.

El tamaño de las inversiones y los plazos significaron que la investigación sobre la fusión tradicionalmente se financiaba casi exclusivamente con fondos públicos. Sin embargo, a partir de la década de 2010, la promesa de comercializar una fuente de energía baja en carbono que cambiaría el paradigma comenzó a atraer a una gran cantidad de empresas e inversores. ^[134] Más de dos docenas de empresas de nueva creación atrajeron más de mil millones de dólares entre aproximadamente 2000 y 2020, principalmente a partir de 2015, y otros tres mil millones en financiación y compromisos relacionados con hitos en 2021, ^{[135] [136]} con inversores como Jeff Bezos. , Peter Thiel y Bill Gates , así como inversores institucionales como Legal & General , y empresas energéticas como Equinor , Eni , Chevron , ^[137] y el grupo chino ENN . ^{[138] [139] [140]} En 2021, Commonwealth Fusion Systems (CFS) obtuvo 1.800 millones de dólares en financiación para ampliación, y Helion Energy obtuvo 500 millones de dólares con 1.700 millones de dólares adicionales dependiendo del cumplimiento de los hitos. ^[141]

Los escenarios desarrollados en la década de 2000 y principios de 2010 discutieron los efectos de la comercialización de la energía de fusión en el futuro de la civilización humana. ^[142] Utilizando la fisión nuclear como guía, estos consideraron que ITER y más tarde DEMO pondrían en funcionamiento los primeros reactores comerciales alrededor de 2050 y una rápida expansión después de mediados de siglo. ^[142] Algunos escenarios enfatizaban las "instalaciones de ciencia nuclear de fusión" como un paso más allá del ITER. ^{[143] [144]} Sin embargo, los obstáculos económicos a la energía de fusión basada en tokamak siguen siendo inmensos, lo que requiere inversiones para financiar prototipos de reactores tokamak ^[145] y el desarrollo de nuevas cadenas de suministro, ^[146] un problema que afectará a cualquier tipo de reactor de fusión. . ^[147] Los diseños Tokamak parecen requerir mucha mano de obra, ^[148] mientras que el riesgo de comercialización de alternativas como la energía de fusión inercial es alto debido a la falta de recursos gubernamentales. ^[149]

Los escenarios desde 2010 señalan avances en informática y ciencia de materiales que permiten "Plantas Piloto de Fusión" (FPP) nacionales o de costos compartidos de múltiples fases a lo largo de diversas vías tecnológicas, ^{[150] [144] [151 ] [ 152] [153] [154]} tales como el Tokamak esférico del Reino Unido para la producción de energía , dentro del período 2030-2040. ^{[155] [156] [157]} En particular, en junio de 2021, General Fusion anunció que aceptaría la oferta del gobierno del Reino Unido de albergar la primera planta de demostración de fusión de asociación público-privada sustancial del mundo , en el Culham Center for Fusion Energy . ^[158] La planta se construirá entre 2022 y 2025 y está destinada a liderar el camino para plantas piloto comerciales a finales de la década de 2025. La planta estará al 70% de su escala completa y se espera que alcance un plasma estable de 150 millones de grados. ^[159] En los Estados Unidos, parece probable que se establezcan FPP de asociación público-privada con costos compartidos, ^[160] y en 2022 el DOE anunció un nuevo Programa de desarrollo de fusión basado en hitos como pieza central de su audaz visión decenal para la energía de fusión comercial, ^{[ 161]} que prevé equipos liderados por el sector privado que entregan diseños preconceptuales de FPP, definen hojas de ruta tecnológicas y llevan a cabo la I+D necesaria para resolver cuestiones científicas y técnicas de la ruta crítica hacia un diseño de FPP. ^[162] La tecnología de reactores compactos basada en este tipo de plantas de demostración puede permitir la comercialización mediante un enfoque de flota a partir de la década de 2030 ^[163] si se pueden localizar los primeros mercados. ^[157]

La adopción generalizada de energías renovables no nucleares ha transformado el panorama energético. Se prevé que dichas energías renovables suministrarán el 74% de la energía mundial para 2050. ^[164] La caída constante de los precios de las energías renovables desafía la competitividad económica de la energía de fusión. ^[165]

Costo nivelado de la energía (LCOE) para diversas fuentes de energía, incluidas la energía eólica, solar y nuclear ^[166]

Algunos economistas sugieren que es poco probable que la energía de fusión iguale los costos de otras energías renovables . ^[165] Se espera que las plantas de fusión enfrenten grandes costos de puesta en marcha y de capital . Además, es probable que la operación y el mantenimiento sean costosos. ^[165] Si bien los costos del reactor de prueba de ingeniería de fusión de China no se conocen bien, se proyectó que un concepto de fusión DEMO de la UE presentaría un costo nivelado de energía (LCOE) de $121/MWh. ^[167]

Los costos del combustible son bajos, pero los economistas sugieren que el costo de la energía para una planta de un gigavatio aumentaría en 16,5 dólares por MWh por cada mil millones de dólares de aumento en la inversión de capital en construcción. También existe el riesgo de que el litio que se obtiene fácilmente se utilice para fabricar baterías. Obtenerlo del agua de mar sería muy costoso y podría requerir más energía que la que se generaría. ^[165]

Por el contrario, las estimaciones del costo nivelado de la energía renovable son sustancialmente más bajas. Por ejemplo, el costo nivelado de la energía solar en 2019 se estimó en $40-$46/MWh, la energía eólica terrestre se estimó en $29-$56/MWh y la energía eólica marina fue de aproximadamente $92/MWh. ^[168]

Sin embargo, la energía de fusión aún puede desempeñar un papel para llenar los vacíos energéticos que dejan las energías renovables, ^{[157] [165]} dependiendo de cómo las prioridades administrativas en materia de justicia energética y ambiental influyan en el mercado. ^[141] En la década de 2020, surgieron estudios socioeconómicos de fusión que comenzaron a considerar estos factores, ^[169] y en 2022 EUROFusion lanzó sus líneas de Estudios Socioeconómicos e Investigación y Desarrollo Prospectivo para investigar cómo dichos factores podrían afectar las vías y cronogramas de comercialización. ^[170] De manera similar, en abril de 2023 Japón anunció una estrategia nacional para industrializar la fusión. ^[171] Por lo tanto, la energía de fusión puede funcionar en conjunto con otras fuentes de energía renovables en lugar de convertirse en la fuente de energía primaria. ^[165] En algunas aplicaciones, la energía de fusión podría proporcionar la carga base, especialmente si se incluye el almacenamiento térmico integrado y la cogeneración y se considera la posibilidad de modernizar las plantas de carbón. ^{[157] [165]}

Regulación

A medida que las plantas piloto de fusión estén a nuestro alcance, es necesario abordar cuestiones legales y regulatorias. ^{[172] En septiembre de 2020, la} Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos consultó con empresas privadas de fusión para considerar una planta piloto nacional. El mes siguiente, el Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Comisión Reguladora Nuclear (NRC) y la Asociación de la Industria de Fusión organizaron conjuntamente un foro público para comenzar el proceso. ^[137] En noviembre de 2020, la Agencia Internacional de Energía Atómica (OIEA) comenzó a trabajar con varias naciones para crear estándares de seguridad ^[173] como regulaciones de dosis y manejo de desechos radiactivos . ^[173] En enero y marzo de 2021, la NRC organizó dos reuniones públicas sobre marcos regulatorios. ^{[174] [175]} En la Ley de Asignaciones Consolidadas HR133 de 2021, del 27 de diciembre, se aprobó un enfoque de participación en los costos público-privado, que autorizó 325 millones de dólares durante cinco años para un programa de asociación para construir instalaciones de demostración de fusión, con una contrapartida del 100% de industria privada. ^[176]

Posteriormente, el Consejo de Horizontes Regulatorios del Reino Unido publicó un informe en el que pedía un marco regulatorio de fusión para principios de 2022 ^[177] con el fin de posicionar al Reino Unido como líder mundial en la comercialización de energía de fusión. ^[178] Este llamado fue atendido por el gobierno del Reino Unido que publicó en octubre de 2021 tanto su Libro Verde sobre Fusión como su Estrategia de Fusión , para regular y comercializar la fusión, respectivamente. ^{[179] [180] [181]} Luego, en abril de 2023, en una decisión que probablemente influirá en otros reguladores nucleares, la NRC anunció en una votación unánime que la energía de fusión no se regularía como fisión sino bajo el mismo régimen regulatorio que los aceleradores de partículas. . ^[182]

Luego, en octubre de 2023, el gobierno del Reino Unido, al promulgar la Ley de Energía de 2023, convirtió al Reino Unido en el primer país en legislar sobre la fusión por separado de la fisión, para apoyar la planificación y la inversión, incluido el prototipo de planta de energía de fusión planificado por el Reino Unido para 2040; PASO ^[183] ​​el Reino Unido está trabajando con Canadá y Japón a este respecto. ^[184] Mientras tanto, en febrero de 2024 la Cámara de Representantes de Estados Unidos aprobó la Ley de Avance de la Energía Atómica, que incluye la Ley de Energía de Fusión, que establece un marco regulatorio para los sistemas de energía de fusión. ^[185]

Geopolítica

Dado el potencial de la fusión para transformar la industria energética mundial y mitigar el cambio climático , ^{[186] [187]} la ciencia de la fusión se ha visto tradicionalmente como una parte integral de la diplomacia científica de consolidación de la paz . ^{[188] [116]} Sin embargo, los avances tecnológicos ^[189] y la participación del sector privado han generado preocupaciones sobre la propiedad intelectual, la administración regulatoria y el liderazgo global; ^[186] equidad y potencial armamentismo. ^{[140] [190]} Estos desafían el papel de consolidación de la paz del ITER y llevaron a llamados para una comisión global. ^{[190] [191]} Parece poco probable que la energía de fusión contribuya significativamente al cambio climático para 2050 sin avances sustanciales y sin que surja una mentalidad de carrera espacial, ^{[151] [192]} pero una contribución para 2100 parece posible, y la medida dependerá del tipo y particularmente Costo de las vías tecnológicas. ^{[193] [194]}

Los acontecimientos ocurridos desde finales de 2020 en adelante han llevado a hablar de una "nueva carrera espacial" con múltiples participantes, que enfrenta a Estados Unidos con China ^[46] y el STEP FPP del Reino Unido. ^{[195] [196]} El 24 de septiembre de 2020, la Cámara de Representantes de los Estados Unidos aprobó un programa de investigación y comercialización. La sección de Investigación de Energía de Fusión incorporó un programa de asociación público-privada , de costos compartidos y basado en hitos , inspirado en el programa COTS de la NASA , que lanzó la industria espacial comercial . ^[137] En febrero de 2021, las Academias Nacionales publicaron Bringing Fusion to the US Grid , recomendando una planta de costos compartidos impulsada por el mercado para 2035-2040, ^{[197] [198] [199]} y el lanzamiento de la Fusion Bipartidista del Congreso. Siguió el caucus. ^[200]

En diciembre de 2020, un panel de expertos independientes revisó el diseño y el trabajo de I+D de EUROfusion en DEMO, y EUROfusion confirmó que estaba avanzando con su hoja de ruta hacia la energía de fusión, comenzando el diseño conceptual de DEMO en asociación con la comunidad europea de fusión, sugiriendo una UE- La máquina respaldada había entrado en carrera. ^[201]

En noviembre de 2023, el Reino Unido y Estados Unidos anunciaron una asociación bilateral para acelerar la energía de fusión. Luego, en diciembre, en la COP28, Estados Unidos anunció una estrategia global para comercializar la energía de fusión. ^[202] Posteriormente, en febrero de 2024, el Reino Unido ( UKAEA ) y Canadá ( Canadian Nuclear Laboratories ) anunciaron un acuerdo por el cual Canadá podría renovar sus plantas nucleares de agua pesada generadoras de deuterio-uranio-tritio Candu e incluso construir otras nuevas, garantizando un suministro de tritio. hasta la década de 2070, mientras que la UKAEA probaría materiales reproductores y simularía cómo se podría capturar, purificar e inyectar nuevamente el tritio en la reacción de fusión.

Ventajas

La energía de fusión promete proporcionar más energía para un peso determinado de combustible que cualquier fuente de energía que consuma combustible actualmente en uso. ^[203] El combustible (principalmente deuterio ) existe en abundancia en el océano: aproximadamente 1 de cada 6500 átomos de hidrógeno en el agua de mar es deuterio. ^[204] Aunque esto es sólo alrededor del 0,015%, el agua de mar es abundante y de fácil acceso, lo que implica que la fusión podría satisfacer las necesidades energéticas del mundo durante millones de años. ^{[205] [206]}

Se espera que las plantas de fusión de primera generación utilicen el ciclo de combustible deuterio-tritio. Esto requerirá el uso de litio para la cría de tritio. No se sabe durante cuánto tiempo los suministros mundiales de litio serán suficientes para satisfacer esta necesidad, así como la de las industrias metalúrgica y de baterías. Se espera que las plantas de segunda generación pasen a la reacción deuterio-deuterio, más formidable. La reacción deuterio-helio-3 también es de interés, pero el isótopo ligero de helio prácticamente no existe en la Tierra. Se cree que existe en cantidades útiles en el regolito lunar y es abundante en las atmósferas de los planetas gigantes gaseosos.

La energía de fusión podría utilizarse para la propulsión del llamado "espacio profundo" dentro del sistema solar ^{[207] [208]} y para la exploración del espacio interestelar donde la energía solar no está disponible, incluso mediante propulsores híbridos de fusión de antimateria . ^{[209] [210]}

Desventajas

La energía de fusión tiene una serie de desventajas. Dado que el 80 por ciento de la energía de cualquier reactor alimentado con deuterio y tritio aparece en forma de corrientes de neutrones, dichos reactores comparten muchos de los inconvenientes de los reactores de fisión. Esto incluye la producción de grandes cantidades de residuos radiactivos y graves daños por radiación a los componentes del reactor. Además, el tritio natural es extremadamente raro. Si bien la esperanza es que los reactores de fusión puedan producir su propio tritio, la autosuficiencia del tritio es extremadamente desafiante, sobre todo porque el tritio es difícil de contener (el tritio se ha filtrado de 48 de 65 sitios nucleares en los EE. UU. ^[211] ). En cualquier caso, es probable que las necesidades de reserva y de inventario inicial de tritio sean inaceptablemente grandes. ^[212]

Si se puede hacer que los reactores funcionen utilizando únicamente combustible de deuterio, entonces se eliminará el problema de la reposición de tritio y se podrán reducir los daños por radiación de neutrones. Sin embargo, las probabilidades de reacciones deuterio-deuterio son aproximadamente 20 veces menores que las de deuterio-tritio. Además, la temperatura necesaria es aproximadamente 3 veces mayor que la del deuterio-tritio (ver sección transversal). Por lo tanto, las temperaturas más altas y las velocidades de reacción más bajas complican significativamente los desafíos de ingeniería. En cualquier caso, persisten otros inconvenientes; por ejemplo, los reactores que sólo requieren alimentación de deuterio tendrán un potencial de proliferación de armas nucleares mucho mayor.

Historia

El Reino Unido afirmó que había conseguido la fusión por primera vez en 1957 en ZETA, pero esta afirmación tuvo que ser retirada posteriormente.

Primeros experimentos

Fotografía temprana de plasma dentro de una máquina pellizcadora (Imperial College 1950-1951)

La primera máquina que logró una fusión termonuclear controlada fue una máquina de pellizco en el Laboratorio Nacional de Los Álamos llamada Scylla I a principios de 1958. El equipo que lo logró estaba dirigido por un científico británico llamado James Tuck e incluía a un joven Marshall Rosenbluth . Tuck había estado involucrado en el proyecto Manhattan, pero había pasado a trabajar en la fusión a principios de la década de 1950. Solicitó financiación para el proyecto como parte de un concurso patrocinado por la Casa Blanca para desarrollar un reactor de fusión junto con Lyman Spitzer . Spitzer pasó a desarrollar el concepto Stellarator en Princeton. El año anterior, 1957, los británicos habían afirmado que habían logrado reacciones de fusión termonuclear en la máquina pellizcadora Zeta . Sin embargo, resultó que los neutrones que habían detectado procedían de interacciones haz-objetivo, no de fusión, y retiraron la afirmación.

Scylla I era una máquina clasificada en ese momento, por lo que el hecho de que la humanidad había demostrado una fusión nuclear controlada en masa quedó oculto al público. Un pellizco en Z tradicional hace pasar una corriente por el centro de un plasma, lo que genera una fuerza magnética alrededor del exterior que exprime el plasma a condiciones de fusión. Scylla I fue una variación de esta idea básica; era un θ-pinch, que hace pasar una corriente por el exterior creando una fuerza magnética en el centro ^[35] Scylla I era una máquina de θ-pinch, con un cilindro lleno de deuterio. ^{[34] [35]} Después del éxito de Scylla-I, Los Alamos pasó a construir múltiples máquinas pellizcadoras durante los siguientes años. Pero el problema con los pellizcos era que eran inestables debido a una gran cantidad de inestabilidades.

Durante este período se implementaron en paralelo muchos enfoques de fusión y Princeton surgió como un centro para la investigación de Stellarator. Fue iniciado por Lyman Spitzer . Si bien la fusión no se produjo de inmediato, el esfuerzo condujo a la creación del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton . ^{[213] [214]}

primer tokamak

El concepto de tokamak se originó en 1950-1951 por IE Tamm y AD Sakharov en la Unión Soviética . El tokamak esencialmente combinaba un dispositivo de pellizco de baja potencia con un estelarador de baja potencia. ^{[188] El grupo de} AD Sajarov construyó los primeros tokamaks, logrando la primera reacción de fusión cuasi estacionaria. ^{[215] :90}

Con el tiempo surgió el concepto de "tokamak avanzado", que incluía plasma no circular, desviadores y limitadores internos, imanes superconductores, funcionamiento en la llamada isla "modo H" de mayor estabilidad, [ ^216] y el tokamak compacto, con los imanes en el interior de la cámara de vacío. ^{[217] [218]}

Los espejos magnéticos sufrieron pérdidas en los extremos, lo que requirió diseños magnéticos complejos y de alta potencia, como la bobina de béisbol que se muestra aquí.

Primeros experimentos de confinamiento inercial

La fusión láser fue sugerida en 1962 por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), poco después de la invención del láser en 1960. La investigación sobre la fusión por confinamiento inercial (utilizando láseres) comenzó ya en 1965. En LLNL se construyeron varios sistemas láser. Estos incluían el Argus , el Cíclope , el Jano , el Camino Largo , el láser Shiva y el Nova . ^[219]

Los avances en láser incluyeron cristales que triplicaban la frecuencia y transformaban los rayos láser infrarrojos en rayos ultravioleta y "chirridos", que cambiaban una única longitud de onda en un espectro completo que podía amplificarse y luego reconstituirse en una sola frecuencia. ^[220] La investigación sobre láser también consumió dinero, consumiendo más de mil millones de dólares en la década de 1980. ^[221]

década de 1980

Los tokamaks Tore Supra , JET , T-15 y JT-60 se construyeron en la década de 1980. ^{[222] [223]} En 1984, Martin Peng de ORNL propuso el tokamak esférico con un radio mucho más pequeño. ^[224] Utilizaba un único conductor grande en el centro, con imanes como semianillos fuera de este conductor. La relación de aspecto cayó hasta 1,2. ^{[225] :B247 [226] :225} La defensa de Peng captó el interés de Derek Robinson , quien construyó el Tokamak de relación de aspecto pequeña y ajustada (INICIO). ^[225]

década de 1990

En 1991, el Experimento Preliminar de Tritio en el Joint European Torus logró la primera liberación controlada de energía de fusión del mundo. ^[227]

En 1996, Tore Supra creó durante dos minutos un plasma con una corriente de casi 1 millón de amperios, totalizando 280 MJ de energía inyectada y extraída. ^[228]

En 1997, JET produjo un pico de 16,1 MW de potencia de fusión (65% del calor al plasma, ^[229] ) con una potencia de fusión de más de 10 MW sostenida durante más de 0,5 segundos. ^[230]

2000

El Tokamak esférico Mega Ampere entró en funcionamiento en el Reino Unido en 1999.

El "encendido rápido" ^{[231] [232]} ahorró energía y llevó a ICF a la carrera por la producción de energía.

En 2006, se completó el reactor de prueba Tokamak Superconductor Experimental Avanzado (EAST) de China . ^[233] Fue el primer tokamak en utilizar imanes superconductores para generar campos toroidales y poloidales.

En marzo de 2009 entró en funcionamiento el ICF NIF impulsado por láser . ^[234]

En la década de 2000, las empresas de fusión con respaldo privado entraron en carrera, incluidas TAE Technologies , ^[235] General Fusion , ^{[236] [237]} y Tokamak Energy . ^[238]

década de 2010

Los preamplificadores de la Instalación Nacional de Ignición. En 2012, el NIF logró una inyección de 500 teravatios.

El Wendelstein7X en construcción

Ejemplo de diseño de estelarador: un sistema de bobina (azul) rodea el plasma (amarillo). Una línea de campo magnético está resaltada en verde sobre la superficie del plasma amarillo.

La investigación pública y privada se aceleró en la década de 2010. General Fusion desarrolló tecnología de inyectores de plasma y Tri Alpha Energy probó su dispositivo C-2U. ^{[239] El} láser francés Mégajoule entró en funcionamiento. NIF logró una ganancia neta de energía ^[240] en 2013, definida en un sentido muy limitado como el punto caliente en el centro del objetivo colapsado, en lugar de todo el objetivo. ^[241]

En 2014, Phoenix Nuclear Labs vendió un generador de neutrones de alto rendimiento que podía soportar 5×10 ^{11 reacciones de fusión} de deuterio por segundo durante un período de 24 horas. ^[242]

En 2015, el MIT anunció un tokamak al que llamó reactor de fusión ARC , que utiliza cintas superconductoras de óxido de bario y cobre de tierras raras (REBCO) para producir bobinas de alto campo magnético que, según afirmaba, podrían producir una intensidad de campo magnético comparable en una configuración más pequeña que otros diseños. . ^[243]

En octubre, investigadores del Instituto Max Planck de Física del Plasma en Greifswald, Alemania, completaron la construcción del estelarador más grande hasta la fecha, el Wendelstein 7-X (W7-X). El estelarador W7-X comenzó la fase operativa 1 (OP1.1) el 10 de diciembre de 2015, produciendo con éxito plasma de helio. ^[244] El objetivo era probar sistemas vitales y comprender la física de la máquina. En febrero de 2016 se alcanzó el plasma de hidrógeno, con temperaturas que alcanzaban los 100 millones de Kelvin. Las pruebas iniciales utilizaron cinco limitadores de grafito. Después de más de 2000 pulsos y lograr hitos importantes, la OP1.1 concluyó el 10 de marzo de 2016. Siguió una actualización, y la OP1.2 en 2017 tuvo como objetivo probar un desviador no refrigerado. En junio de 2018 se alcanzaron temperaturas récord. W7-X concluyó sus primeras campañas con pruebas de limitador y desviador de isla, logrando avances notables a fines de 2018. ^{[245] [246] [247]} Pronto produjo plasmas de helio e hidrógeno que duraron hasta 30 minutos. ^[248]

En 2017 entró en funcionamiento la máquina de plasma de quinta generación de Helion Energy . ^{[249] El} ST40 de Tokamak Energy del Reino Unido generó el "primer plasma". ^[250] El año siguiente, Eni anunció una inversión de 50 millones de dólares en Commonwealth Fusion Systems , para intentar comercializar la tecnología ARC del MIT . ^{[251] [252] [253] [254]}

2020

En enero de 2021, SuperOx anunció la comercialización de un nuevo cable superconductor con una capacidad de corriente de más de 700 A/mm ² . ^[255]

TAE Technologies anunció los resultados de su dispositivo Norman, que mantuvo una temperatura de aproximadamente 60 MK durante 30 milisegundos, 8 y 10 veces más alta, respectivamente, que los dispositivos anteriores de la compañía. ^[256]

En octubre, First Light Fusion, con sede en Oxford, reveló su proyecto de fusión de proyectiles, que dispara un disco de aluminio contra un objetivo de fusión, acelerado por un pulso eléctrico de 9 megaamperios, alcanzando velocidades de 20 kilómetros por segundo (12 mi/s). La fusión resultante genera neutrones cuya energía se captura en forma de calor. ^[257]

El 8 de noviembre, en una charla invitada a la 63.ª Reunión Anual de la División de Física del Plasma de la APS, ^[258] la Instalación Nacional de Ignición afirmó ^[259] haber activado la ignición por fusión en el laboratorio el 8 de agosto de 2021, por primera vez. en los más de 60 años de historia del programa ICF. ^{[260] [261]} El disparo arrojó 1,3 MJ de energía de fusión, una mejora de más de 8 veces con respecto a las pruebas realizadas en la primavera de 2021. ^[259] El NIF estima que 230 kJ de energía alcanzaron la cápsula de combustible, lo que resultó en una energía de casi 6 veces Salida de energía de la cápsula. ^[259] Un investigador del Imperial College de Londres afirmó que la mayoría del campo estuvo de acuerdo en que se había demostrado la ignición. ^[259]

En noviembre de 2021, Helion Energy informó haber recibido 500 millones de dólares en financiación Serie E para su dispositivo Polaris de séptima generación, diseñado para demostrar la producción neta de electricidad, con 1.700 millones de dólares adicionales en compromisos vinculados a hitos específicos, ^[262] mientras que Commonwealth Fusion Systems recaudó un 1.800 millones de dólares adicionales en financiación Serie B para construir y operar su tokamak SPARC , la mayor inversión realizada por cualquier empresa de fusión privada. ^[263]

En abril de 2022, First Light anunció que su prototipo de fusión de proyectil hipersónico había producido neutrones compatibles con la fusión. Su técnica dispara proyectiles electromagnéticamente a Mach 19 contra una pastilla de combustible enjaulada. El combustible de deuterio se comprime a Mach 204, alcanzando niveles de presión de 100 TPa. ^[264]

El 13 de diciembre de 2022, el Departamento de Energía de EE. UU. informó que los investigadores de la Instalación Nacional de Ignición habían logrado una ganancia neta de energía a partir de una reacción de fusión. La reacción del combustible de hidrógeno en la instalación produjo alrededor de 3,15 MJ de energía y consumió 2,05 MJ de entrada. Sin embargo, si bien las reacciones de fusión pueden haber producido más de 3 megajulios de energía (más de la que se entregó al objetivo), los 192 láseres del NIF consumieron 322 MJ de energía de la red en el proceso de conversión. ^{[1] [2] [265] [266]}

En mayo de 2023, el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) otorgó una subvención de 46 millones de dólares a ocho empresas en siete estados para apoyar los esfuerzos de investigación y diseño de plantas de energía de fusión. Esta financiación, en el marco del Programa de desarrollo de fusión basado en hitos, se alinea con los objetivos de demostrar la fusión a escala piloto dentro de una década y desarrollar la fusión como una fuente de energía neutra en carbono para 2050. Las empresas subvencionadas tienen la tarea de abordar los desafíos científicos y técnicos. crear diseños viables de plantas piloto de fusión en los próximos 5 a 10 años. Las empresas beneficiarias incluyen Commonwealth Fusion Systems, Focused Energy Inc., Princeton Stellarators Inc., Realta Fusion Inc., Tokamak Energy Inc., Type One Energy Group, Xcimer Energy Inc. y Zap Energy Inc. ^[267]

En diciembre de 2023 se inauguró en Naka , Japón , el tokamak JT-60SA más grande y avanzado . El reactor es un proyecto conjunto entre Japón y la Unión Europea. El reactor había logrado su primer plasma en octubre de 2023. ^[268]

Registros

Los registros de Fusión siguen avanzando:

Ver también

• Portal de energía
• Portal de tecnología nuclear

• Proceso COLEX , para la producción de Li-6.
• Encendido por fusión
• Reactor de alta fusión beta
• Confinamiento electrostático inercial
• dipolo levitado
• Lista de experimentos de fusión
• espejo magnético

Referencias

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enlaces externos

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