Energía de fusión

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 mediante el uso del calor de las 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 reactores de fusión comenzó en la década de 1940, pero a fecha de 2024, ningún dispositivo ha alcanzado la potencia neta, aunque se han logrado reacciones positivas netas. ^{[1] [2] [3] [4]}

Los procesos de fusión requieren combustible y un entorno 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 el 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 usan isótopos pesados ​​de hidrógeno 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 ) y producen un núcleo de helio y un neutrón energizado , ^[5] para permitirles alcanzar los requisitos del criterio de Lawson con condiciones menos extremas. La mayoría de los diseños apuntan a calentar su combustible a alrededor de 100 millones de kelvin, lo que presenta un desafío importante para producir un diseño exitoso. El tritio es extremadamente raro en la Tierra, con una vida media de solo ~12,3 años. En consecuencia, durante el funcionamiento de los reactores de fusión previstos, conocidos como reactores reproductores, los lechos de guijarros enfriados con helio (HCPB) se someten a flujos de neutrones para generar tritio y completar el ciclo del combustible. ^[6]

Como fuente de energía, la fusión nuclear tiene una serie de ventajas potenciales en comparación con la fisión . Entre ellas se incluyen una radiactividad reducida en funcionamiento, pocos residuos nucleares de alto nivel , amplios suministros de combustible (suponiendo que se produzcan criaderos de tritio o algunas formas de combustibles aneutrónicos ) y una mayor seguridad. Sin embargo, la combinación necesaria de temperatura, presión y duración ha demostrado ser difícil de producir de manera práctica y económica. Un segundo problema que afecta a las reacciones comunes es el manejo 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 la fusión han estudiado varios conceptos de confinamiento. El énfasis inicial estaba puesto 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 siendo investigados a escalas muy grandes, más notablemente el tokamak ITER en Francia y el láser National Ignition Facility (NIF) en los Estados Unidos. Los investigadores también están estudiando otros diseños que pueden ofrecer enfoques menos costosos. Entre estas alternativas, hay un creciente interés en la fusión de objetivo magnetizado y el confinamiento electrostático inercial , y nuevas variaciones del stellarator.

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 liberación de energía.

Energía de enlace de los diferentes núcleos atómicos . El hierro-56 es el que tiene la mayor energía, lo que lo convierte en el más estable. Los núcleos de la izquierda probablemente liberen energía cuando se fusionan ( fusión ); los que están más a la derecha probablemente 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 exceda la fuerza electrostática que los separa, fusionándolos en núcleos más pesados. Para núcleos más pesados ​​que el hierro-56 , la reacción es endotérmica , lo que requiere un aporte de energía. ^[7] Los núcleos pesados ​​más grandes que el hierro tienen muchos más protones, lo que resulta en una mayor fuerza repulsiva. Para núcleos más livianos 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 salida de energía neta. Además, dado que 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 interacción fuerte, que tiene un alcance de aproximadamente un femtómetro (el diámetro de un protón o neutrón). Los átomos de combustible deben recibir suficiente energía cinética para aproximarse lo suficiente entre sí para que la interacción fuerte supere la repulsión electrostática y así iniciar la fusión. La " barrera de Coulomb " es la cantidad de energía cinética necesaria para acercar lo suficiente los átomos de 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 cuando se calienta más allá de su energía de ionización . Un ion es el nombre que recibe el núcleo desnudo resultante. El resultado de esta ionización es el plasma, que es una nube calentada de iones y electrones libres que anteriormente estaban unidos a ellos. Los plasmas son conductores de electricidad y están 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 del 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 que se consideran comúnmente como energía de fusión.

La sección eficaz de una reacción , denotada por σ, mide la probabilidad de que se produzca 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. ^[8]

En un plasma, la velocidad de las partículas se puede caracterizar mediante una distribución de probabilidad . Si el plasma está termalizado , la distribución se parece a una curva gaussiana o una distribución de Maxwell-Boltzmann . En este caso, es útil utilizar la sección transversal promedio de las partículas sobre la distribución de velocidad. Esto se ingresa en la tasa de fusión volumétrica: ^[9]

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

dónde:

• ${\displaystyle P_{\text{fusion}}}$es la energía producida por la 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 balance 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 supuso un balance energético , que se muestra a continuación. ^[9]

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

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 de conducción a medida que la masa energética sale del plasma
• ${\displaystyle P_{\text{radiation}}}$Son las pérdidas de radiación a medida que la energía sale en forma de luz.

La velocidad de fusión, y por tanto _{la fusión} P , depende de la temperatura y la densidad del plasma. El plasma pierde energía a través de la conducción y la radiación . ^[9] La conducción se produce cuando los iones , electrones o neutros impactan otras sustancias, normalmente 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 la energía que sale de la nube en forma de luz. La radiación también aumenta con la temperatura, así como con la masa de los iones. Los sistemas de energía de fusión deben funcionar en una región donde la velocidad de fusión sea mayor que las pérdidas.

Producto triple: densidad, temperatura, tiempo

Atrapamiento de fusión (izquierda) contra temperatura (abajo) para varios enfoques de fusión a partir de 2021, asumiendo combustible DT ^[10] La línea sólida corresponde a Q = ∞ para IFC (fusión por confinamiento inercial). La línea discontinua corresponde a Q = 0,01 para IFC. Los contornos de colores corresponden a factores Q para MFC (fusión por confinamiento magnético): Q = ∞ (marrón), Q = 10 (rojo), Q = 2 (amarillo), Q = 1 (verde), Q = 0,1 (azul fuerte), Q = 0,01 (azul más claro), Q = 0,001 (azul aún más claro), Q = 0,0001 (azul tenue).

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 una función de la temperatura y, por lo tanto, de la velocidad de reacción por partícula, la densidad de partículas dentro de ese volumen y, finalmente, el tiempo de confinamiento, el tiempo que la energía permanece dentro del volumen. ^{[9] [11]} Esto se conoce como el "triple producto": la densidad del plasma, la temperatura y el tiempo de confinamiento. ^[12]

En el confinamiento magnético, la densidad es baja, del orden de un "buen vacío". Por ejemplo, en el dispositivo ITER la densidad del combustible es de aproximadamente 1,0 × 10 ¹⁹ m ⁻³ , que es aproximadamente una millonésima parte de la densidad atmosférica. ^[13] Esto significa que la temperatura y/o el tiempo de confinamiento deben aumentar. Se han logrado temperaturas relevantes para la fusión utilizando una variedad de métodos de calentamiento que se desarrollaron a principios de la década de 1970. En las máquinas modernas, a partir de 2019 ^[actualizar], el principal problema restante 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 hacer esto es simplemente hacer que el volumen del reactor sea más grande, lo que reduce la tasa de fuga debido a la difusión clásica . Esta es la razón por la que ITER es tan grande.

Por el contrario, los sistemas de confinamiento inercial se acercan a los valores útiles de triple producto 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 se incrementa a aproximadamente 100 veces la densidad del plomo. En estas condiciones, la tasa de fusión es tan alta que el combustible se funde en los microsegundos que tarda el calor generado por las reacciones en destruir el combustible. Aunque el NIF también es grande, esto es una función de su diseño de "impulsor", no inherente al proceso de fusión.

Captura de energía

Se han propuesto múltiples enfoques para capturar la energía que produce la fusión. El más simple es calentar un fluido. La reacción de desintegración termonuclear, que suele ser el objetivo, libera gran parte de su energía en forma de neutrones de rápido movimiento. El neutrón, que es eléctricamente neutro, no se ve afectado por el esquema de confinamiento. En la mayoría de los diseños, queda capturado en una "manta" gruesa de litio que rodea el núcleo del reactor. Cuando choca con 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 propuesto consiste en utilizar los neutrones para generar combustible de fisión en un manto de desechos nucleares , un concepto conocido como híbrido de fisión-fusión . En estos sistemas, la producción de energía se ve mejorada por los eventos de fisión y la energía se extrae utilizando sistemas como los de los reactores de fisión convencionales. ^[14]

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 los 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 la reacción de fusión. Esto ha demostrado una eficiencia de captura de energía del 48 por ciento. ^[15]

Comportamiento del plasma

El plasma es un gas ionizado que conduce electricidad. ^[16] En general, se modela utilizando magnetohidrodinámica , que es una combinación de las ecuaciones de Navier-Stokes que rigen los fluidos y las ecuaciones de Maxwell que rigen el comportamiento de los campos magnéticos y eléctricos . ^[17] La ​​fusión explota varias propiedades del plasma, entre ellas:

• El plasma autoorganizado conduce campos eléctricos y magnéticos. Sus movimientos generan campos que a su vez pueden contenerlo. ^[18]
• El plasma diamagnético puede generar su propio campo magnético interno, lo que puede rechazar un campo magnético aplicado externamente, lo que lo convierte en diamagnético. ^[19]
• Los espejos magnéticos pueden reflejar el plasma cuando se mueve de un campo de baja a uno de alta densidad. ^{[20] :24}

Métodos

Enfoques de la fusión, en familias codificadas por colores: Familia Pinch (naranja), Familia Mirror (rojo), Sistemas Cusp (violeta), Tokamaks y Stellarators (verde), Estructuras de plasma (gris), Confinamiento electrostático inercial (amarillo oscuro), Fusión por confinamiento inercial (ICF, azul), Fusión magnetoinercial de chorro de plasma (PJMIF, rosa oscuro).

Confinamiento magnético

• Tokamak : el método más desarrollado y financiado. Este método hace que el plasma caliente se mueva en un toro confinado magnéticamente , con una corriente interna. Cuando se complete, el ITER se convertirá en el tokamak más grande del mundo. En septiembre de 2018, se estima que había 226 tokamaks experimentales planificados, desmantelados o en funcionamiento (50) en todo el mundo. ^[21]
• Tokamak esférico : también conocido como toro esférico. Una variante del tokamak con forma esférica.
• Stellarator : anillos retorcidos de plasma caliente. El stellarator intenta crear una trayectoria de plasma retorcida 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 stellarator más grande del mundo. ^[22]
• 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 esta torsión 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 del dipolo levitado (LDX) , utilizan un toro superconductor sólido que se levita magnéticamente dentro de la cámara del reactor. ^[23]
• Espejo magnético : desarrollado por Richard F. Post y sus equipos en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ( LLNL ) en la década de 1960. ^[24] Los espejos magnéticos reflejan el plasma de un lado a otro en una línea. Las variaciones incluyeron el espejo tándem , la botella magnética y la cúspide bicónica . ^[25] El gobierno de los EE. UU. construyó una serie de máquinas de espejos en las décadas de 1970 y 1980, principalmente en el LLNL. ^[26] Sin embargo, los cálculos en la década de 1970 estimaron que era poco probable que alguna vez fueran comercialmente útiles.
• Toro irregular : varios espejos magnéticos están dispuestos uno tras otro en un anillo toroidal. Los iones de combustible que se filtran de uno de ellos quedan confinados en un espejo vecino, lo que permite aumentar arbitrariamente la presión del plasma sin pérdidas. En la década de 1970, se construyó y probó una instalación experimental, el ELMO Bumpy Torus o EBT, en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL).
• Configuración de campo invertido : este dispositivo atrapa el plasma en una estructura cuasi-estable autoorganizada; donde el movimiento de la partícula crea un campo magnético interno que luego se atrapa a sí mismo. ^[27]
• Spheromak : similar a una configuración de campo invertido, una estructura de plasma semiestable creada mediante el uso del campo magnético autogenerado por los plasmas. Un spheromak tiene campos toroidales y poloidales, mientras que una configuración de campo invertido no tiene campo toroidal. ^[28]
• Dynomak es un esferomak que se forma y se mantiene mediante inyección de flujo magnético continuo . ^{[29] [30] [31]}
• 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 emitir 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 la Instalación Nacional de Ignición , seguida de cerca por el Láser Mégajoule . ^[32]
• Accionamiento directo: los láseres calientan directamente la pastilla de combustible. Se han llevado a cabo experimentos notables de accionamiento directo en el Laboratorio de Energía Láser (LLE) y en las instalaciones de GEKKO XII . Para que las implosiones sean buenas, se necesitan pastillas de combustible con una forma casi perfecta para generar una onda de choque interna simétrica que produzca el plasma de alta densidad. ^{[ cita requerida ]}
• Ignición rápida: este método utiliza dos descargas láser. La primera comprime el combustible de fusión, mientras que la segunda lo enciende. A partir de 2019, ^[actualizar]esta técnica había perdido popularidad para la producción de energía. ^[33]
• Fusión magneto-inercial o fusión inercial de línea magnetizada : combina un pulso láser con un pinzamiento magnético. La comunidad de pinzamiento se refiere a ella como fusión inercial de línea magnetizada, mientras que la comunidad de ICF se refiere a ella como fusión magneto-inercial. ^[34]
• Haces de iones: Los haces de iones sustituyen a los rayos láser para calentar el combustible. ^[35] La principal diferencia es que el haz 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 cables de tungsteno delgados, calentándolos lo suficiente para generar rayos X. Al igual que en el método de propulsión indirecta, estos rayos X luego comprimen una cápsula de combustible.

Pinzas magnéticas o eléctricas

• Z-pinch : una corriente viaja en la dirección z a través del plasma. La corriente genera un campo magnético que comprime el plasma. Los pinzamientos fueron el primer método para la fusión controlada creada por el hombre. ^{[36] [37]} El z-pinch tiene inestabilidades inherentes que limitan su compresión y calentamiento a valores demasiado bajos para la 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 el z-pinch llevaron al diseño del tokamak. El foco de plasma denso es una variación posiblemente superior.
• Theta-pinch : 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 limitaciones inherentes que lo hacían poco interesante para la producción de energía.
• Flujo estabilizado por cizallamiento Z-Pinch: La investigación en la Universidad de Washington dirigida por Uri Shumlak investigó el uso de la estabilización por flujo esquilado para suavizar las inestabilidades de los reactores Z-Pinch. Esto implica acelerar el gas neutro a lo largo del eje del pinch. Las máquinas experimentales incluyeron los reactores experimentales FuZE y Zap Flow Z-Pinch. ^[38] En 2017, el inversor tecnológico y empresario 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. ^{[39] [40] [41]}
• Pellizco de tornillo: este método combina un pellizco theta y z para una mejor estabilización. ^[42]

Confinamiento electrostático inercial

• Fusor : Un campo eléctrico calienta los iones hasta alcanzar las 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 método viable para generar energía neta debido a sus altaspérdidas de conducción y radiación . ^[43] Son lo suficientemente simples de construir como para que los aficionados hayan fusionado átomos con ellas. ^[44]
• Polywell : Intenta combinar el confinamiento magnético con campos electrostáticos, para evitar las pérdidas de conducción generadas por la jaula. ^[45]

Otro

• Fusión de objetivo magnetizado : confina el plasma caliente mediante un campo magnético y lo comprime mediante inercia. Algunos ejemplos son la máquina LANL FRX-L, ^[46] General Fusion (compresión de pistón con revestimiento de metal líquido), HyperJet Fusion (compresión de chorro de plasma con revestimiento de plasma). ^{[47] [48]}
• Sin control: la fusión ha sido iniciada por el hombre, utilizando explosiones de fisión sin control para estimular la fusión. Las primeras propuestas para la energía de fusión incluían el uso de bombas para iniciar reacciones. Véase el Proyecto PACER .
• Fusión de haces: un haz de partículas de alta energía disparado contra otro haz u objetivo puede iniciar la fusión. Esto se utilizó en los años 1970 y 1980 para estudiar las secciones transversales de las reacciones de fusión. ^[8] Sin embargo, los sistemas de haces no se pueden utilizar para generar energía porque mantener un haz coherente requiere más energía de la que se obtiene 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 causar la fusión. ^[49] A partir de 2007, la producción de muones requería más energía de la que se puede obtener de la fusión catalizada por muones. ^[50]
• Fusión por confinamiento en red : La fusión por confinamiento en red ( LCF ) es un tipo de fusión nuclear en la que los metales saturados de deuterón se exponen a radiación gamma o haces de iones, como en un fusor IEC , evitando los plasmas confinados de alta temperatura utilizados en otros métodos de fusión. ^{[51] [52]}

Herramientas comunes

En múltiples proyectos se emplean muchos enfoques, equipos y mecanismos para abordar el calentamiento por fusión, la medición y la producción de energía. ^[53]

Aprendizaje automático

Se ha utilizado un sistema de aprendizaje de refuerzo profundo para controlar un reactor basado en tokamak . ^{[ especificar ]} El sistema 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). ^{[ cita requerida ]} En 2014, Google comenzó a trabajar con la empresa de fusión con sede en California TAE Technologies para controlar el Joint European Torus (JET) para predecir el comportamiento del plasma. ^{[ 54 ]} DeepMind también ha desarrollado un esquema de control con TCV . ^{[ 55 ]}

Calefacción

• Calentamiento electrostático: un campo eléctrico puede realizar trabajo sobre iones o electrones cargados, calentándolos. ^[56]
• 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. 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 llega al plasma. Una vez dentro del plasma, el haz neutro transmite energía al plasma mediante colisiones que lo ionizan y permiten que quede contenido por el campo magnético, calentando y reabasteciendo de combustible el reactor en una sola operación. El resto del haz cargado es desviado por campos magnéticos hacia depósitos de haz enfriados. ^[57]
• Calentamiento por radiofrecuencia: una onda de radio hace oscilar el plasma (es decir, en un horno microondas ). Esto también se conoce como calentamiento por resonancia de ciclotrón electrónico , utilizando por ejemplo girotrones , o calentamiento dieléctrico . ^[58]
• 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 energía instantáneamente en un plasma, calentándolo rápidamente. Hasta el 45% de la energía del campo magnético puede calentar los iones. ^{[59] [60]}
• Oscilaciones magnéticas: se pueden suministrar corrientes eléctricas variables a bobinas magnéticas que calientan el plasma confinado dentro de una pared magnética. ^[61]
• Aniquilación de antiprotones: los antiprotones inyectados en una masa de combustible de fusión pueden inducir reacciones termonucleares. Esta posibilidad, conocida como propulsión nuclear por pulsos catalizada por antimateria , se investigó en la Universidad Estatal de Pensilvania en relación con el proyecto AIMStar propuesto. ^{[ cita requerida ]}

Medición

Los diagnósticos de un reactor científico de fusión son extremadamente complejos y variados. ^[62] Los diagnósticos necesarios para un reactor de potencia de fusión serán diversos, pero menos complicados que los de un reactor científico, ya que en el momento de la comercialización se habrán perfeccionado muchos diagnósticos de control y retroalimentación en tiempo real. Sin embargo, el entorno operativo de un reactor de fusión comercial será más severo 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 los gases desviadores, por ejemplo, helio e impurezas, y de monitorear la reproducción de combustible, por ejemplo, el estado de un revestimiento de litio líquido de reproducción de tritio. ^[63] A continuación se presentan 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 National Compact Stellarator Experiment , ^[64] el polywell , ^[65] y las máquinas LDX . Se puede emplear una sonda Langmuir , un objeto metálico colocado en un plasma. Se le aplica un potencial, lo que le da un voltaje contra el plasma circundante. El metal recoge partículas cargadas, lo que genera una corriente. A medida que cambia el voltaje, cambia la corriente. Esto crea una curva IV . La curva IV se puede utilizar para determinar la densidad, el potencial y la temperatura del plasma local. ^[66]
• Dispersión de Thomson : las "dispersiones de luz" del plasma se pueden utilizar para reconstruir el comportamiento del plasma, incluida la densidad y la temperatura. Es común en la fusión por confinamiento inercial , ^[67] tokamaks , ^[68] y fusores . En los sistemas ICF, disparar un segundo haz en una lámina de oro adyacente al objetivo produce 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. ^{[69] [70]}
• Detectores de rayos X Los rayos visibles, infrarrojos, ultravioleta y X se emiten cada vez que una partícula cambia de velocidad. ^[71] Si la razón es la desviación por un campo magnético, la radiación es radiación ciclotrón a bajas velocidades y radiación sincrotrón a altas velocidades. Si la razón es la desviación por otra partícula, el plasma irradia rayos X, conocidos como radiación de frenado . ^[72]

Producción de energía

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

• Las turbinas de vapor pueden funcionar mediante el calor transferido a un fluido de trabajo que se convierte en vapor y acciona generadores eléctricos. ^[73]
• Mantas de neutrones: Estos neutrones pueden regenerar el combustible de fisión gastado. ^[74] El tritio se puede producir utilizando una manta reproductora de litio líquido o un lecho de guijarros enfriado con helio hecho de guijarros cerámicos que contienen litio. ^[75]
• Conversión directa : La energía cinética de una partícula se puede convertir en voltaje . ^[24] Fue sugerida por primera vez por Richard F. Post en relación con los espejos magnéticos , a fines 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 a varios potenciales eléctricos grandes. Este método ha demostrado una eficiencia experimental del 48 por ciento. ^[76]
• Los tubos de ondas progresivas hacen pasar átomos de helio cargados a varios megavoltios y recién salidos 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 electricidad a través del alambre.

Confinamiento

Espacio de parámetros ocupado por dispositivos de energía de fusión inercial y de 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 término confinamiento se refiere a todas las condiciones necesarias para mantener un plasma denso y caliente durante el tiempo suficiente para que se produzca la 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 lo suficientemente lenta. ^[9] El plasma se lleva consigo la energía, por lo que una pérdida rápida de material interrumpirá la fusión. El material puede perderse por transporte a diferentes regiones o por conducción a través de un sólido o líquido.

Para producir una fusión autosostenible, parte de la energía liberada por la reacción debe utilizarse 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. El más famoso fue el de las máquinas de espejo magnético, una serie de dispositivos construidos en el LLNL desde la década de 1960 hasta la de 1980. ^[77] Otros ejemplos incluyen las botellas magnéticas y la cúspide bicónica . ^[78] 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 de conversión directa era más fácil de implementar. ^[15] El confinamiento deficiente ha llevado a que se abandone este enfoque, excepto en el diseño de polipozo. ^[79]

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 spheromak, 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 en el Laboratorio de Investigación Naval demuestra 90.000 disparos en 10 horas, repetición necesaria para la planta de energía IFE.

El confinamiento inercial es el uso de una implosión rápida para calentar y confinar el plasma. Una capa que rodea el combustible se hace implosionar utilizando un rayo láser directo (impulso directo), un rayo X secundario (impulso indirecto) o haces pesados. El combustible debe comprimirse a unas 30 veces la densidad sólida con haces energéticos. El impulso directo puede ser eficiente en principio, pero la uniformidad insuficiente ha impedido el éxito. ^{[80] :19–20} El impulso indirecto utiliza haces para calentar una capa, lo que hace que la capa irradie rayos X , que luego hacen implosionar el gránulo. Los haces son comúnmente rayos láser, pero se han investigado haces de iones y electrones. ^{[80] :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 de ánodo. Los iones positivos vuelan hacia la jaula interior negativa y se calientan por el campo eléctrico en el proceso. Si no entran en la jaula interior, pueden colisionar y fusionarse. Sin embargo, los iones normalmente golpean el cátodo, lo que crea pérdidas de conducción prohibitivas . Las tasas de fusión en los fusores son bajas debido a los efectos físicos competitivos, como la pérdida de energía en forma de radiación luminosa. ^[81] Se han propuesto diseños para evitar los problemas asociados con la jaula, generando el campo utilizando una nube no neutra. Estos incluyen un dispositivo oscilante de plasma, ^[82] una rejilla protegida magnéticamente, ^[83] una trampa de penning , el polywell ^[84] y el concepto de controlador de cátodo F1. ^[85]

Combustibles

Los combustibles considerados para la energía de fusión han sido todos elementos ligeros como los isótopos del hidrógeno: protio , deuterio y tritio . ^[8] La reacción de deuterio y helio-3 requiere helio-3, un isótopo del helio tan escaso en la Tierra que tendría que ser extraído extraterrestremente o producido por otras reacciones nucleares. En última instancia, los investigadores esperan adoptar la reacción protio-boro-11, porque no produce neutrones directamente, aunque las reacciones secundarias pueden hacerlo. ^[86]

Deuterio, tritio

Diagrama de la reacción DT

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

2 1D+³
₁yo
→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 se encuentra disponible en forma habitual. La gran relación de masas de los isótopos del hidrógeno hace que su separación sea fácil en comparación con el proceso de enriquecimiento del 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 costoso. En consecuencia, el ciclo del combustible deuterio-tritio requiere la reproducción del tritio a partir del litio mediante una de las siguientes reacciones:

¹
₀norte
+⁶
₃Li
→³
₁yo
+⁴
₂Él

¹
₀norte
+⁷
₃Li
→³
₁yo
+⁴
₂Él
+¹
₀norte

El neutrón reactivo es suministrado por la reacción de fusión DT mostrada arriba, y la que tiene el 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. Las reacciones de multiplicación de neutrones son necesarias para reemplazar los neutrones perdidos por absorción por otros elementos. Los principales materiales candidatos para la multiplicación de neutrones son el berilio y el plomo , pero la reacción de ⁷ Li ayuda a mantener alta la población de neutrones. El litio natural es principalmente ^{7 Li, que tiene una} sección transversal de producción de tritio baja en comparación con ⁶ Li, por lo que la mayoría de los diseños de reactores utilizan mantas de cría con ⁶ Li enriquecido .

Las desventajas que se suelen atribuir a la energía de fusión DT incluyen:

• El suministro de neutrones da como resultado la activación neutrónica de los materiales del reactor. ^{[87] :242}
• El 80% de la energía resultante es transportada por neutrones, lo que limita el uso de la conversión directa de energía. ^[88]
• Requiere el radioisótopo tritio, que puede filtrarse de los reactores. Algunas estimaciones sugieren que esto representaría una importante liberación de radiactividad ambiental. ^[89]

El flujo de neutrones esperado en un reactor de fusión DT comercial es aproximadamente 100 veces mayor que el de los reactores 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 posterior a las pruebas. ^[90]

En un entorno de producción, los neutrones reaccionarían con el litio en la capa de reproducción compuesta por partículas de cerámica de litio o litio líquido, produciendo tritio. La energía de los neutrones termina en el litio, que luego se transferiría para impulsar la producción eléctrica. La capa de litio protege las partes externas 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, lo que evita un problema conocido como "reciclaje". La ventaja de este diseño se demostró en el Experimento del Tokamak de Litio .

Deuterio

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

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

²
₁D
+²
₁D
→³
₁yo
+¹
₁yo

²
₁D
+²
₁D
→³
₂Él
+¹
₀norte

Esta reacción también es común en la investigación. La energía óptima para iniciar esta reacción es de 15 keV, sólo ligeramente superior a la de la reacción DT. La primera rama produce tritio, de modo 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 el manejo 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 da como resultado una mayor producción de isótopos y daños materiales. Cuando los tritones se eliminan rápidamente mientras se permite que reaccione el ^3He , el ciclo del combustible se denomina "fusión suprimida con tritio". ^[91] El tritio extraído se desintegra en ³ He con una vida media de 12,5 años. Al reciclar la desintegración del ³ He 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 neutrones sería de sólo un 18%, de modo que la principal ventaja del ciclo de combustible DD es que no se requiere la reproducción con tritio. Otras ventajas son la independencia de los recursos de litio y un espectro de neutrones algo más suave. La desventaja del DD en comparación con el DT es que el tiempo de confinamiento de la energía (a una presión dada) debe ser 30 veces más largo y la energía producida (a una presión y un volumen dados) es 68 veces menor. ^{[ cita requerida ]}

Suponiendo la eliminación completa del tritio y el reciclaje ^{del 3He} , solo el 6% de la energía de fusión es transportada por neutrones. La fusión DD con supresión de tritio requiere un confinamiento de energía que es 10 veces más largo en comparación con la DT y el doble de la temperatura del plasma. ^[92]

Deuterio, helio-3

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

²
₁D
+³
₂Él
→⁴
₂Él
+¹
₁yo

Esta reacción produce ⁴ He y un protón de alta energía. Al igual que con el ciclo de combustible de fusión aneutrónica p- ¹¹ B , la mayor parte de la energía de reacción se libera en forma de partículas cargadas, lo que reduce la activación de la carcasa del reactor y potencialmente permite una recolección de energía más eficiente (a través de cualquiera de varias vías). ^[93] En la práctica, las reacciones secundarias de DD producen una cantidad significativa de neutrones, lo que deja al p ^-11 B como el ciclo preferido para la fusión aneutrónica. ^[93]

Protón, boro-11

Tanto los problemas de la ciencia de los materiales como las preocupaciones por la no proliferación se reducen en gran medida con la fusión aneutrónica . En teoría, el combustible aneutrónico más reactivo es ^{el 3} He. Sin embargo, la obtención de cantidades razonables de ³ He implica la 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 el boro , que están fácilmente disponibles . Su fusión no libera neutrones, pero produce partículas alfa (helio) cargadas de energía cuya energía puede convertirse directamente en energía eléctrica:

¹
₁yo
+¹¹
₅B
→ 3⁴
₂Él

Es probable que las reacciones secundarias produzcan neutrones que solo transportan alrededor del 0,1% de la potencia, ^{[94] :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 ^[95] es casi diez veces mayor que la de las reacciones de hidrógeno puro, y el confinamiento de energía debe ser 500 veces mejor que el requerido para la reacción DT. Además, la densidad de potencia es 2500 veces menor que para DT, aunque por unidad de masa de combustible, esto sigue siendo considerablemente mayor en comparación con 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 para la fusión aneutrónica se basan en conceptos de confinamiento radicalmente diferentes, como el Polywell y el Dense Plasma Focus . En 2013, un equipo de investigación dirigido por Christine Labaune en la École Polytechnique , informó un nuevo récord de velocidad 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. ^{[96] [97]}

Selección de materiales

La estabilidad estructural del material es un tema crítico. ^{[98] [99]} 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. ^{[100] [98]} Los principales problemas son las condiciones generadas por el plasma, la degradación neutrónica de las superficies de las paredes y el problema relacionado de las condiciones de la superficie de la pared del plasma. ^{[101] [102]} La reducción de la permeabilidad al hidrógeno se considera crucial para el reciclado del hidrógeno ^[103] y el control del inventario de tritio. ^[104] 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, ^[105] y compuestos como carburos, óxidos densos y nitruros. La investigación ha destacado que las técnicas de recubrimiento para preparar barreras bien adheridas y perfectas son de importancia equivalente. Las técnicas más atractivas son aquellas en las que se forma una capa de ad mediante oxidación únicamente. Los métodos alternativos utilizan entornos de gas específicos con fuertes campos magnéticos y eléctricos. La evaluación del rendimiento de la barrera representa un desafío adicional. La permeación de gas de las membranas revestidas clásicas sigue siendo el método más confiable para determinar la eficiencia de la barrera de permeación de hidrógeno (HPB). ^[104] 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 un enfoque en los reactores de la familia tokamak:

• Nuevos materiales para minimizar la cantidad de activación en la estructura de la planta de energía de fusión;
• Compuestos que pueden utilizarse dentro de la central eléctrica para optimizar la producción de combustible de tritio para sustentar 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 el bombardeo de neutrones a altas temperaturas de operación (más de 550 grados C);
• Garantía de ingeniería para materiales de fusión: proporcionar datos de muestras irradiadas y predicciones modeladas para 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 tasa de fusión se escala como la intensidad del campo magnético elevada a la cuarta potencia. Por esta razón, muchas empresas de fusión que dependen de los campos magnéticos para controlar su plasma están tratando de desarrollar dispositivos superconductores de alta temperatura. En 2021, SuperOx, una empresa rusa y japonesa, desarrolló un nuevo proceso de fabricación para fabricar alambre superconductor YBCO para reactores de fusión. Se demostró que este nuevo alambre conduce entre 700 y 2000 amperios por milímetro cuadrado. La empresa pudo producir 300 kilómetros de alambre en nueve meses. ^[106]

Consideraciones de contención

Incluso en escalas de producción más pequeñas, el aparato de contención se ve bombardeado por materia y energía. Los diseños para la contención de plasma deben tener en cuenta lo siguiente:

• Un ciclo de calefacción y refrigeración, hasta una carga térmica de 10 MW/ ^m2 .
• Radiación de neutrones , que con el tiempo conduce a la activación y fragilización de los neutrones .
• Iones de alta energía que salen de decenas a cientos de electronvoltios .
• Partículas alfa que salen a millones de electronvoltios .
• Electrones saliendo 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. ^[107] Una estimación sitúa la radiación en 100 veces la de un reactor de agua presurizada típico . ^{[ cita requerida ]} Dependiendo del enfoque, otras consideraciones como la conductividad eléctrica , la permeabilidad magnética y la resistencia mecánica son importantes. Los materiales tampoco deben acabar como residuos radiactivos de larga duración . ^[98]

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 el material sea reemplazado. Los neutrones de alta energía producen hidrógeno y helio a través de reacciones nucleares que tienden a formar burbujas en los límites de los granos y dan como resultado hinchazón, formación de ampollas o fragilización. ^[107]

Selección de materiales

El tungsteno es ampliamente considerado como el material óptimo para los componentes de cara al plasma en los dispositivos de fusión de próxima generación debido a sus propiedades únicas y su potencial de mejoras. Sus bajas tasas de pulverización catódica y su alto punto de fusión lo hacen particularmente adecuado para los entornos de alto estrés de los reactores de fusión, lo que le permite soportar condiciones intensas sin degradarse rápidamente. Además, la baja retención de tritio del tungsteno a través de la codeposición e implantación es esencial en contextos de fusión, ya que ayuda a minimizar la acumulación de este isótopo radiactivo. ^{[108] [109] [110] [111]}

Se han propuesto metales líquidos (litio, galio , estaño ), por ejemplo, mediante la inyección de corrientes de 1 a 5 mm de espesor que fluyen a 10 m/s sobre sustratos sólidos. ^{[ cita requerida ]}

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, lo que permite una erosión neta que puede ser prohibitiva. Un problema aún mayor es que el tritio se redeposita con el grafito redepositado. El inventario de tritio en la pared y el polvo podría acumularse hasta muchos kilogramos, lo que representa un desperdicio de recursos y un peligro radiológico en caso de accidente. El grafito encontró favor como material para experimentos de corta duración, pero parece poco probable que se convierta en el material principal orientado al plasma (PFM) en un reactor comercial. ^{[98] [112]}

Los materiales cerámicos como el carburo de silicio (SiC) tienen problemas similares a los del grafito. La retención de tritio en los componentes de carburo de silicio que enfrentan el plasma es aproximadamente 1,5-2 veces mayor que en el grafito, lo que resulta en una menor eficiencia del combustible y mayores riesgos de seguridad en los reactores de fusión. El SiC tiende a atrapar más tritio, lo que limita su disponibilidad para la fusión y aumenta el riesgo de acumulación peligrosa, lo que complica la gestión del tritio. ^{[113] [114]} Además, la pulverización química y física del SiC sigue siendo significativa, lo que contribuye a la acumulación de tritio a través de la codeposición a lo largo del tiempo y con el aumento de la fluencia de partículas. Como resultado, los materiales a base de carbono han sido excluidos de ITER , DEMO y dispositivos similares. ^[115]

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 del carbono, y la autopulverización catódica 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 presenta problemas relacionados con las corrientes de Foucault y la fusión en eventos anormales, así como algunos problemas radiológicos. ^[98]

Seguridad y medio ambiente

Potencial de accidente

El potencial de accidente y el efecto sobre el medio ambiente son fundamentales para la aceptación social de la fusión nuclear, también conocida como licencia social . ^[116] Los reactores de fusión no están sujetos a una fusión catastrófica . ^[117] Requiere parámetros precisos y controlados de temperatura, presión y campo magnético para producir energía neta, y cualquier daño o pérdida del control requerido extinguiría rápidamente la reacción. ^[118] Los reactores de fusión operan con segundos o incluso microsegundos de combustible en cualquier momento. Sin reabastecimiento activo, las reacciones se extinguen inmediatamente. ^[117]

Las mismas restricciones impiden las reacciones descontroladas. Aunque se espera que el plasma tenga un volumen de 1.000 m3 ⁽ 35.000 pies cúbicos) o más, normalmente contiene sólo unos pocos gramos de combustible. ^[117] En comparación, un reactor de fisión suele estar cargado con suficiente combustible para meses o años, y no es necesario combustible adicional para continuar la reacción. Este gran suministro de combustible es lo que ofrece la posibilidad de una fusión. ^[119]

En el confinamiento magnético, se desarrollan campos intensos en bobinas que se mantienen mecánicamente en su lugar gracias a la estructura del reactor. Si falla esta estructura, se 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 a la extinción/explosión de una máquina de resonancia magnética , y podría contenerse eficazmente dentro de un edificio de contención similar a los que se utilizan 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. ^[120]

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 en la atmósfera, lo que plantearía un riesgo de radiación. Los cálculos sugieren que estaría presente alrededor de 1 kilogramo (2,2 libras) de tritio y otros gases radiactivos en una central eléctrica típica. La cantidad es lo suficientemente pequeña como para que se diluyera a límites legalmente aceptables para el momento en que alcanzaran la valla perimetral de la central . ^[121]

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. Entre ellos se incluyen las liberaciones accidentales de litio o tritio o la manipulación incorrecta de componentes radiactivos del reactor. ^[120]

Enfriamiento magnético

El apagado de un imán es una terminación anormal del funcionamiento del imán que ocurre cuando una 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 (lo que provoca corrientes parásitas y el calentamiento resultante en la matriz de soporte de cobre) o una combinación de ambos.

En casos más raros, un defecto en el imán puede provocar un apagado. Cuando esto sucede, ese punto en particular se somete a un rápido calentamiento Joule a causa de la corriente, lo que eleva la temperatura de las regiones circundantes. Esto empuja también 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 a medida que 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 eléctricos. Los daños permanentes en el imán son poco frecuentes, pero los componentes pueden resultar dañados por el calentamiento localizado, los altos voltajes o las 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 somete a un enfriamiento, 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 apagaron inesperadamente durante las operaciones de puesta en marcha en 2008, destruyendo múltiples imanes. ^[122] Para evitar que esto vuelva a suceder, los imanes superconductores del LHC están equipados con calentadores de rampa rápida que se activan cuando se detecta un evento de apagado. Los imanes de flexión dipolar están conectados en serie. Cada circuito de potencia incluye 154 imanes individuales y, si se produce un evento de apagado, toda la energía almacenada combinada de estos imanes debe descargarse de una vez. 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 apagado de un imán es un "evento bastante rutinario" durante el funcionamiento de un acelerador de partículas. ^[123]

Efluentes

El producto natural de la reacción de fusión es una pequeña cantidad de helio , que es inofensivo para la vida. El tritio, peligroso, es difícil de retener por completo.

Aunque el tritio es volátil y biológicamente activo, el riesgo para la salud que supone su liberación es mucho menor que el de la mayoría de los contaminantes radiactivos, debido a su corta vida media (12,32 años) y a su energía de desintegración muy baja (~14,95 keV), y a que no se bioacumula (se elimina del cuerpo en forma de agua, con una vida media biológica de 7 a 14 días). ^[124] El ITER incorpora instalaciones de contención total para el tritio. ^[125]

Residuos radiactivos

Los reactores de fusión crean mucho menos material radiactivo que los reactores de fisión. Además, el material que crean 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. ^[126] En términos específicos, excepto en el caso de la fusión aneutrónica , ^{[127] [128]} el flujo de neutrones convierte los materiales estructurales en radiactivos. La cantidad de material radiactivo al apagarse puede ser comparable a la de un reactor de fisión, con diferencias importantes. Las vidas medias de los radioisótopos de fusión y activación neutrónica tienden a ser menores que las de la fisión, de modo que el riesgo disminuye más rápidamente. Mientras que los reactores de fisión producen desechos que siguen siendo radiactivos durante miles de años, el material radiactivo en un reactor de fusión (aparte del tritio) sería el propio núcleo del reactor y la mayor parte de este sería radiactivo durante unos 50 años, y otros desechos de bajo nivel serían radiactivos durante otros 100 años aproximadamente después. ^[129] La corta vida media de los desechos de fusión elimina el problema del almacenamiento a largo plazo. A los 500 años, el material tendría la misma radiotoxicidad que las cenizas de carbón . ^[121] No obstante, la clasificación como desechos de nivel intermedio en lugar de desechos de nivel bajo puede complicar los debates sobre seguridad. ^{[130] [126]}

La elección de materiales es menos restringida que en la fisión convencional, donde se requieren muchos materiales para sus secciones transversales de neutrones específicas . Los reactores de fusión pueden diseñarse utilizando materiales de "baja activación", que no se vuelven radiactivos fácilmente. El vanadio , por ejemplo, se vuelve mucho menos radiactivo que el acero inoxidable . ^{[131] Los materiales} de fibra de carbono también son de baja activación, son fuertes y ligeros, y son prometedores para los reactores láser inerciales donde no se requiere un campo magnético. ^[132]

Proliferación nuclear

En algunos escenarios, la tecnología de energía de fusión podría adaptarse para producir materiales para 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 las armas de fisión modernas, pero se puede producir de otras maneras. Los neutrones energéticos de un reactor de fusión podrían utilizarse para generar plutonio o uranio aptos para armas para una bomba atómica (por ejemplo, mediante la transmutación de²³⁸
U a²³⁹
Pu , o²³²
El a²³³
uno ).

Un estudio realizado en 2011 evaluó tres escenarios: ^[133]

• Central de fusión a pequeña escala: Como resultado de un consumo de energía mucho mayor, una 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. ^[133]
• Instalación comercial: El potencial de producción es significativo, pero en un sistema de fusión civil no es necesario que haya sustancias fértiles o fisionables necesarias para la producción de materiales utilizables en armas. Si no están protegidos, la detección de estos materiales se puede hacer por su radiación gamma característica . El rediseño subyacente se podría detectar mediante una verificación regular de la información de diseño. En el caso (técnicamente más factible) de módulos de mantas reproductoras sólidas, sería necesario inspeccionar los componentes entrantes para detectar la presencia de material fértil ^[133] , de lo contrario se podría producir plutonio para varias armas cada año ^{[134] .}
• Priorizar el material apto para armas sin tener en cuenta el secreto: la forma más rápida de producir material apto para armas se vio en la modificación de 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 ese tipo tardaría unos dos meses en iniciar la producción y al menos una semana más para generar una cantidad significativa. Se consideró que este tiempo era 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. ^[133]

Otro estudio concluyó que "... los grandes reactores de fusión, incluso si no están diseñados para la producción de material fisible, podrían producir fácilmente varios cientos de kg de Pu por año con una alta calidad de armamento y requisitos muy bajos de material fuente". Se enfatizó que la implementación de características para la resistencia intrínseca a la proliferación podría ser posible solo en una fase temprana de investigación y desarrollo. ^[134] 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 comúnmente propone el uso de deuterio como combustible y muchos diseños actuales también usan 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 aumenta 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 use solo deuterio tendría combustible para 150 mil millones de años. ^[135] Para poner esto en contexto, 150 mil millones de años es cerca de 30 veces la vida útil restante del Sol, ^[136] y más de 10 veces la edad estimada del universo.

Ciencias económicas

La UE gastó casi 10 000 millones de euros durante la década de 1990. ^[137] El 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 . ^{[138] [139] 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 los 810 millones de euros destinados a la investigación sobre energía sostenible, ^[140] lo que sitúa 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 estadounidenses cada año desde 2010, alcanzando un máximo en 2020, ^[141] con planes de reducir la inversión a 425 millones de dólares estadounidenses en su solicitud de presupuesto para el año fiscal 2021. ^[142] Aproximadamente una cuarta parte de este presupuesto se destina a apoyar al ITER.

El tamaño de las inversiones y los plazos hicieron que, tradicionalmente, la investigación sobre fusión se financiara 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 cambiara el paradigma comenzó a atraer a una gran cantidad de empresas e inversores. ^[143] Más de dos docenas de empresas emergentes 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, ^{[144] [145]} con inversores como Jeff Bezos , Peter Thiel y Bill Gates , así como inversores institucionales como Legal & General , y empresas energéticas como Equinor , Eni , Chevron , ^[146] y el grupo chino ENN . ^{[147] [148] [149]} En 2021, Commonwealth Fusion Systems (CFS) obtuvo 1.800 millones de dólares en financiación para ampliar su proyecto, y Helion Energy obtuvo 500 millones de dólares con 1.700 millones de dólares adicionales sujetos al cumplimiento de hitos. ^[150]

Los escenarios desarrollados en la década de 2000 y principios de la década de 2010 analizaron los efectos de la comercialización de la energía de fusión en el futuro de la civilización humana. ^[151] Utilizando la fisión nuclear como guía, estos consideraron que el ITER y posteriormente el DEMO pondrían en funcionamiento los primeros reactores comerciales alrededor de 2050 y una rápida expansión después de mediados de siglo. ^[151] Algunos escenarios enfatizaron las "instalaciones científicas nucleares de fusión" como un paso más allá del ITER. ^{[152] [153]} Sin embargo, los obstáculos económicos para la energía de fusión basada en tokamak siguen siendo inmensos, requiriendo inversiones para financiar prototipos de reactores tokamak ^[154] y el desarrollo de nuevas cadenas de suministro, ^[155] un problema que afectará a cualquier tipo de reactor de fusión. ^[156] Los diseños de tokamak parecen requerir mucha mano de obra, ^[157] mientras que el riesgo de comercialización de alternativas como la energía de fusión inercial es alto debido a la falta de recursos gubernamentales. ^[158]

Los escenarios desde 2010 señalan avances en informática y ciencia de los materiales que permiten "plantas piloto de fusión" (FPP) nacionales o de costos compartidos de múltiples fases a lo largo de varias vías tecnológicas, ^{[159] [153 ] [160] [161] [162] [163]} como el Tokamak esférico del Reino Unido para la producción de energía , dentro del marco temporal 2030-2040. ^{[164] [165] [166]} 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 Centro Culham para la Energía de Fusión . ^[167] La ​​planta se construirá entre 2022 y 2025 y está destinada a liderar el camino para las plantas piloto comerciales a fines de la década de 2025. La planta tendrá el 70% de la escala completa y se espera que alcance un plasma estable de 150 millones de grados. ^[168] En los Estados Unidos, las FPP de asociación público-privada con costos compartidos parecen probables, ^[169] y en 2022 el DOE anunció un nuevo Programa de Desarrollo de Fusión Basado en Hitos como la pieza central de su Visión Decenal Audaz para la Energía de Fusión Comercial, ^[170] que prevé equipos liderados por el sector privado que entregan diseños preconceptuales de FPP, definen hojas de ruta tecnológicas y buscan la I+D necesaria para resolver problemas científicos y técnicos de la ruta crítica hacia un diseño de FPP. ^[171] La tecnología de reactores compactos basada en tales plantas de demostración puede permitir la comercialización a través de un enfoque de flota a partir de la década de 2030 ^[172] si se pueden localizar los primeros mercados. ^[166]

La adopción generalizada de energías renovables no nucleares ha transformado el panorama energético. Se prevé que dichas energías renovables suministren el 74% de la energía mundial en 2050. ^[173] La caída constante de los precios de las energías renovables pone en peligro la competitividad económica de la energía de fusión. ^[174]

Costo nivelado de energía (LCOE) para diversas fuentes de energía, incluidas la energía eólica, solar y nuclear ^[175]

Algunos economistas sugieren que es poco probable que la energía de fusión iguale los costos de otras energías renovables . ^[174] Se espera que las plantas de fusión enfrenten grandes costos iniciales y de capital . Además, es probable que la operación y el mantenimiento sean costosos. ^[174] Si bien los costos del reactor de prueba de ingeniería de fusión de China no son bien conocidos, se proyecta que un concepto de fusión DEMO de la UE presente un costo nivelado de energía (LCOE) de $121/MWh. ^[176]

Los costos de 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 la construcción. También existe el riesgo de que el litio, que se obtiene fácilmente, se agote para fabricar baterías. Obtenerlo del agua de mar sería muy costoso y podría requerir más energía que la que se generaría. ^[174]

En cambio, 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 dólares/MWh, el de la energía eólica terrestre en 29-56 dólares/MWh, y el de la energía eólica marina en aproximadamente 92 dólares/MWh. ^[177]

Sin embargo, la energía de fusión todavía puede tener un papel que desempeñar en llenar los vacíos energéticos que dejan las energías renovables, ^{[166] [174]} dependiendo de cómo las prioridades de la administración en materia de justicia energética y ambiental influyan en el mercado. ^[150] En la década de 2020, surgieron estudios socioeconómicos de la fusión que comenzaron a considerar estos factores, ^[178] 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 los cronogramas de comercialización. ^[179] De manera similar, en abril de 2023 Japón anunció una estrategia nacional para industrializar la fusión. ^[180] Por lo tanto, la energía de fusión puede funcionar en conjunto con otras fuentes de energía renovable en lugar de convertirse en la fuente de energía primaria. ^[174] En algunas aplicaciones, la energía de fusión podría proporcionar la carga base, especialmente si incluye almacenamiento térmico integrado y cogeneración y considera el potencial de modernización de las plantas de carbón. ^{[166] [174]}

Regulación

A medida que las plantas piloto de fusión se acercan, deben abordarse cuestiones legales y regulatorias. ^[181] En septiembre de 2020, la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos consultó con empresas de fusión privadas 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. ^[146] En noviembre de 2020, el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) comenzó a trabajar con varias naciones para crear estándares de seguridad ^[182] como regulaciones de dosis y manejo de desechos radiactivos . ^[182] En enero y marzo de 2021, la NRC organizó dos reuniones públicas sobre marcos regulatorios. ^{[183] ​​[184]} Un enfoque de costos compartidos público-privados fue aprobado en la Ley de Asignaciones Consolidadas HR133 de 2021 del 27 de diciembre, que autorizó $ 325 millones durante cinco años para un programa de asociación para construir instalaciones de demostración de fusión, con una contrapartida del 100% de la industria privada. ^[185]

Posteriormente, el Consejo de Horizontes Regulatorios del Reino Unido publicó un informe en el que solicitaba un marco regulatorio de la fusión para principios de 2022 ^[186] con el fin de posicionar al Reino Unido como líder mundial en la comercialización de energía de fusión. ^[187] Este llamado fue atendido por el gobierno del Reino Unido al publicar en octubre de 2021 tanto su Libro Verde de Fusión como su Estrategia de Fusión , para regular y comercializar la fusión, respectivamente. ^{[188] [189] [190]} 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 se regularía no como la fisión sino bajo el mismo régimen regulatorio que los aceleradores de partículas. ^[191]

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; STEP ^[192] el Reino Unido está trabajando con Canadá y Japón a este respecto. ^[193] Mientras tanto, en febrero de 2024, la Cámara de Representantes de los EE. UU. 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. ^[194]

Geopolítica

Dado el potencial de la fusión para transformar la industria energética mundial y mitigar el cambio climático , ^{[195] [196]} la ciencia de la fusión ha sido vista tradicionalmente como una parte integral de la diplomacia científica para la consolidación de la paz . ^{[197] [125]} Sin embargo, los avances tecnológicos ^[198] y la participación del sector privado han suscitado inquietudes sobre la propiedad intelectual, la administración regulatoria, el liderazgo global; ^[195] la equidad y la potencial militarización. ^{[149] [199]} Estos cuestionan el papel de consolidación de la paz del ITER y llevaron a llamados a una comisión global. ^{[199] [200]} La energía de fusión que contribuye significativamente al cambio climático para 2050 parece poco probable sin avances sustanciales y sin el surgimiento de una mentalidad de carrera espacial, ^{[160] [201]} pero una contribución para 2100 parece posible, con un alcance que depende del tipo y particularmente del costo de las vías tecnológicas. ^{[202] [203]}

Los acontecimientos ocurridos a finales de 2020 en adelante han dado lugar a que se hable de una "nueva carrera espacial" con múltiples participantes, que enfrenta a Estados Unidos contra China ^[48] y el STEP FPP del Reino Unido, ^{[204] [205]} con China gastando ahora más que Estados Unidos y amenazando con superar la tecnología estadounidense. ^[206] 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 basado en hitos y de costos compartidos, inspirado en el programa COTS de la NASA , que lanzó la industria espacial comercial . ^[146] En febrero de 2021, las Academias Nacionales publicaron Bringing Fusion to the US Grid , recomendando una planta impulsada por el mercado y de costos compartidos para 2035-2040, ^{[207] [208] [209]} y siguió el lanzamiento del Caucus Bipartidista de Fusión del Congreso. ^[210]

En diciembre de 2020, un panel de expertos independientes revisó el trabajo de diseño e 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 de fusión europea, lo que sugiere que una máquina respaldada por la UE había entrado en la carrera. ^[211]

En octubre de 2023, el grupo Agile Nations, orientado al Reino Unido, anunció un grupo de trabajo sobre fusión. ^[212] Un mes después, el Reino Unido y los EE. UU. anunciaron una asociación bilateral para acelerar la energía de fusión. Luego, en diciembre de 2023, en la COP28, los EE. UU. anunciaron una estrategia global estadounidense para comercializar la energía de fusión. ^[213] Luego, en abril de 2024, Japón y los EE. UU. anunciaron una asociación similar, ^[214] y en mayo del mismo año, el G7 anunció un Grupo de Trabajo del G7 sobre Energía de Fusión para promover colaboraciones internacionales para acelerar el desarrollo de energía comercial y promover la I+D entre países, así como racionalizar la regulación de la fusión. ^[215] Más tarde, ese mismo año, los EE. UU. se asociaron con el OIEA para lanzar el Grupo de Trabajo sobre Soluciones de Energía de Fusión, para obtener ideas de manera colaborativa para acelerar la energía de fusión comercial, en línea con la declaración de la COP28 de los EE. UU.

Específicamente para resolver el problema del suministro de tritio, 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 tritio de deuterio-uranio 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. ^[216]

En 2024, tanto Corea del Sur como Japón anunciaron importantes iniciativas para acelerar sus estrategias nacionales de fusión, mediante la construcción de plantas de fusión público-privadas generadoras de electricidad en la década de 2030, con el objetivo de iniciar operaciones en las décadas de 2040 y 2030 respectivamente. ^{[217] [218]}

Ventajas

La energía de fusión promete proporcionar más energía para un peso dado de combustible que cualquier otra fuente de energía que consuma combustible actualmente en uso. ^[219] 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. ^[220] Aunque esto es solo 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. ^{[221] [222]}

Se espera que las plantas de fusión de primera generación utilicen el ciclo de combustible deuterio-tritio, lo que requerirá el uso de litio para la producción de tritio. No se sabe durante cuánto tiempo serán suficientes los suministros mundiales de litio para satisfacer esta necesidad, así como las de las industrias metalúrgica y de baterías. Se espera que las plantas de segunda generación pasen a la reacción más formidable deuterio-deuterio. La reacción deuterio-helio-3 también es de interés, pero el isótopo ligero del helio es prácticamente inexistente 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 llamada propulsión de "espacio profundo" dentro del sistema solar ^{[223] [224]} y para la exploración del espacio interestelar donde no se dispone de energía solar, incluso a través de propulsores híbridos de fusión de antimateria . ^{[225] [226]}

Desventajas

La energía de fusión tiene una serie de desventajas. Como el 80 por ciento de la energía de cualquier reactor alimentado con deuterio y tritio aparece en forma de corrientes de neutrones, estos reactores comparten muchos de los inconvenientes de los reactores de fisión. Esto incluye la producción de grandes cantidades de desechos radiactivos y graves daños por radiación a los componentes del reactor. Además, el tritio que se produce de forma natural es extremadamente raro. Si bien la esperanza es que los reactores de fusión puedan producir su propio tritio, la autosuficiencia en tritio es extremadamente difícil, sobre todo porque es difícil de contener (se ha filtrado tritio de 48 de los 65 sitios nucleares de los EE. UU. ^[227] ). En cualquier caso, es probable que las necesidades de inventario de tritio de reserva y de puesta en marcha sean inaceptablemente grandes. ^[228]

Si se puede hacer que los reactores funcionen utilizando únicamente combustible de deuterio, se eliminará el problema de la reposición de tritio y se reducirán los daños por radiación neutrónica. Sin embargo, las probabilidades de reacciones deuterio-deuterio son aproximadamente 20 veces menores que para el deuterio-tritio. Además, la temperatura necesaria es aproximadamente 3 veces mayor que para el deuterio-tritio (véase la sección transversal). 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 requieren únicamente combustible de deuterio tendrán un potencial de proliferación de armas nucleares mucho mayor.

Historia

Primeros experimentos

Fotografía antigua de plasma dentro de una máquina de pinzamiento (Imperial College 1950-1951)

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

La primera máquina que logró la fusión termonuclear controlada fue una máquina de pinza 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 . El año anterior, 1957, los británicos habían afirmado que habían logrado reacciones de fusión termonuclear en la máquina de pinza Zeta . Sin embargo, resultó que los neutrones que habían detectado provenían de interacciones haz-objetivo, no de fusión, y retiraron la afirmación.

En su momento, Scylla I era una máquina clasificada, por lo que el logro se ocultó al público. Un Z-pinch tradicional pasa una corriente por el centro de un plasma, lo que crea una fuerza magnética alrededor del exterior que comprime el plasma hasta las condiciones de fusión. Scylla I era un θ-pinch , que usaba deuterio para pasar una corriente alrededor del exterior de su cilindro para crear una fuerza magnética en el centro. ^{[36] [37]} Después del éxito de Scylla I, Los Alamos continuó construyendo múltiples máquinas de pellizco durante los siguientes años.

Spitzer continuó con su investigación sobre el estelarizador en Princeton. Si bien la fusión no se produjo de inmediato, el esfuerzo condujo a la creación del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton . ^{[229] [230]}

Primer tokamak

A principios de la década de 1950, los físicos soviéticos IE Tamm y AD Sakharov desarrollaron el concepto de tokamak, combinando un dispositivo de pinza de baja potencia con un estelarizador de baja potencia. ^{[197] El grupo de} AD Sakharov construyó los primeros tokamaks, logrando la primera reacción de fusión cuasistacionaria. ^{[231] :90}

Con el tiempo, surgió el concepto de "tokamak avanzado", que incluía plasma no circular, desviadores y limitadores internos, imanes superconductores, funcionamiento en la isla de "modo H" de mayor estabilidad, ^[232] y el tokamak compacto, con los imanes en el interior de la cámara de vacío. ^{[233] [234]}

Los espejos magnéticos sufrían pérdidas en los extremos, lo que requería 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. Los experimentos de fusión por confinamiento inercial utilizando láseres comenzaron ya en 1965. ^{[ cita requerida ]} Se construyeron varios sistemas láser en el LLNL, incluidos el Argus , el Cyclops , el Janus , el de trayectoria larga , el láser Shiva y el Nova . ^[235]

Los avances en el campo del láser incluyeron cristales que triplicaban la frecuencia y transformaban los rayos láser infrarrojos en rayos ultravioleta y el "chirrido", que transformaba una única longitud de onda en un espectro completo que podía amplificarse y luego reconstituirse en una frecuencia. ^[236] La investigación sobre láser costó más de mil millones de dólares en la década de 1980. ^[237]

Década de 1980

Los tokamaks Tore Supra , JET , T-15 y JT-60 se construyeron en la década de 1980. ^{[238] [239]} En 1984, Martin Peng de ORNL propuso el tokamak esférico con un radio mucho más pequeño. ^[240] Utilizaba un solo conductor grande en el centro, con imanes como semianillos fuera de este conductor. La relación de aspecto cayó a tan solo 1,2. ^{[241] :B247 [242] :225} La defensa de Peng atrajo el interés de Derek Robinson , quien construyó el Small Tight Aspect Ratio Tokamak (START). ^[241]

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. ^[243]

En 1996, Tore Supra creó un plasma durante dos minutos con una corriente de casi 1 millón de amperios, totalizando 280 MJ de energía inyectada y extraída. ^[244]

En 1997, el JET produjo un pico de 16,1 MW de potencia de fusión (65% de calor al plasma ^[245] ), con una potencia de fusión de más de 10 MW sostenida durante más de 0,5 segundos. ^[246]

Década de 2000

El Tokamak esférico Mega Ampere comenzó a funcionar en el Reino Unido en 1999.

El "encendido rápido" ^{[247] [248]} ahorró energía e hizo que ICF entrara en la carrera por la producción de energía.

En 2006, se completó el reactor de prueba Tokamak Superconductor Avanzado Experimental (EAST) de China . ^[249] Fue el primer tokamak en utilizar imanes superconductores para generar campos tanto toroidales como poloidales.

En marzo de 2009, el NIF ICF impulsado por láser entró en funcionamiento. ^[250]

En la década de 2000, las empresas de fusión con respaldo privado entraron en la carrera, entre ellas TAE Technologies , ^[251] General Fusion , ^{[252] [253]} y Tokamak Energy . ^[254]

Década de 2010

Los preamplificadores de la National Ignition Facility. En 2012, la NIF alcanzó los 500 teravatios.

El Wendelstein7X en construcción

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

La investigación privada y pública se aceleró en la década de 2010. General Fusion desarrolló la tecnología de inyección de plasma y Tri Alpha Energy probó su dispositivo C-2U. ^[255] El láser francés Mégajoule comenzó a funcionar. NIF logró una ganancia de energía neta ^[256] en 2013, definida en el sentido muy limitado como el punto caliente en el núcleo del objetivo colapsado, en lugar de todo el objetivo. ^[257]

En 2014, Phoenix Nuclear Labs vendió un generador de neutrones de alto rendimiento que podía sostener 5×10 ^{11 reacciones de fusión} de deuterio por segundo durante un período de 24 horas. ^[258]

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 afirmó, podrían producir una intensidad de campo magnético comparable en una configuración más pequeña que otros diseños. ^[259]

En octubre, los investigadores del Instituto Max Planck de Física del Plasma en Greifswald, Alemania, completaron la construcción del estelarizador más grande hasta la fecha, el Wendelstein 7-X (W7-X). El estelarizador W7-X comenzó la fase operativa 1 (OP1.1) el 10 de diciembre de 2015, produciendo con éxito plasma de helio. ^[260] El objetivo era probar sistemas vitales y comprender la física de la máquina. Para febrero de 2016, se logró el plasma de hidrógeno, con temperaturas que alcanzaron hasta 100 millones de Kelvin. Las pruebas iniciales utilizaron cinco limitadores de grafito. Después de más de 2000 pulsos y lograr hitos significativos, OP1.1 concluyó el 10 de marzo de 2016. Siguió una actualización, y OP1.2 en 2017 tuvo como objetivo probar un desviador no refrigerado. Para 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. ^{[261] [262] [263]} Pronto produjo plasmas de helio e hidrógeno que duraban hasta 30 minutos. ^[264]

En 2017, entró en funcionamiento la máquina de plasma de quinta generación de Helion Energy . ^{[265] El} ST40 de Tokamak Energy del Reino Unido generó el "primer plasma". ^[266] Al año siguiente, Eni anunció una inversión de 50 millones de dólares en Commonwealth Fusion Systems , para intentar comercializar la tecnología ARC del MIT . ^{[267] [268] [269] [270]}

Década de 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 . ^[271]

TAE Technologies anunció los resultados de su dispositivo Norman, que mantiene una temperatura de aproximadamente 60 MK durante 30 milisegundos, 8 y 10 veces más alta, respectivamente, que los dispositivos anteriores de la compañía. ^[272]

En octubre, First Light Fusion, con sede en Oxford, reveló su proyecto de fusión con 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. ^[273]

El 8 de noviembre, en una charla invitada a la 63.ª Reunión Anual de la División de Física del Plasma de la APS, ^[274] la Instalación Nacional de Ignición afirmó ^[275] haber provocado 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. ^{[276] [277]} El disparo produjo 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. ^[275] La NIF estima que 230 kJ de energía alcanzaron la cápsula de combustible, lo que resultó en una salida de energía de casi 6 veces de la cápsula. ^[275] Un investigador del Imperial College de Londres afirmó que la mayoría del campo estaba de acuerdo en que se había demostrado la ignición. ^[275]

En noviembre de 2021, Helion Energy informó haber recibido 500 millones de dólares en financiación de la 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, ^[278] mientras que Commonwealth Fusion Systems recaudó 1.800 millones de dólares adicionales en financiación de la Serie B para construir y operar su tokamak SPARC , la mayor inversión individual en cualquier empresa de fusión privada. ^[279]

En abril de 2022, First Light anunció que su prototipo de fusión de proyectiles hipersónicos había producido neutrones compatibles con la fusión. Su técnica dispara proyectiles electromagnéticos 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. ^[280]

El 13 de diciembre de 2022, el Departamento de Energía de Estados Unidos 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 mientras consumía 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 de la Instalación Nacional de Ignición consumieron 322 MJ de energía de la red en el proceso de conversión. ^{[1] [2] [281] [282]}

En mayo de 2023, el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) otorgó una subvención de 46 millones de dólares a ocho empresas de 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 la Fusión Basado en Hitos, se alinea con los objetivos de demostrar la fusión a escala piloto en una década y desarrollar la fusión como una fuente de energía neutral en carbono para 2050. Las empresas beneficiarias tienen la tarea de abordar los desafíos científicos y técnicos para 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. ^[283]

En diciembre de 2023, se inauguró en Naka , Japón, el tokamak JT-60SA, el 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. ^[284] Posteriormente, el proyecto de reactor de fusión de Corea del Sur, el Korean Superconducting Tokamak Advanced Research , operó con éxito durante 102 segundos en un modo de alta contención (modo H) que contenía altas temperaturas de iones de más de 100 millones de grados en pruebas de plasma realizadas desde diciembre de 2023 hasta febrero de 2024. ^[285]

Archivos

Los registros de fusión continúan avanzando:

Véase también

• Portal de energía
• Portal de tecnología nuclear

• Proceso COLEX , para la producción de Li-6
• Ignición por fusión
• Reactor de fusión de alta beta
• Confinamiento electrostático inercial
• Dipolo levitado
• Lista de experimentos de fusión
• Espejo magnético
• Nave espacial

Referencias

1. Chang, Kenneth (13 de diciembre de 2022). "Los científicos logran un gran avance en la fusión nuclear con el uso de 192 láseres: el avance de los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore se aprovechará para seguir desarrollando la investigación sobre energía de fusión". The New York Times . Consultado el 13 de diciembre de 2022 .
2. "El Laboratorio Nacional del DOE hace historia al lograr la ignición por fusión". Departamento de Energía de Estados Unidos . 13 de diciembre de 2022. Consultado el 13 de diciembre de 2022 .
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Lectura adicional

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Enlaces externos

• Sistema de información de dispositivos de fusión
• Base de energía de fusión
• Asociación de la Industria de la Fusión
• Noticias sobre sistemas satelitales de Princeton
• Programa de Ciencia de Energía de Fusión de EE.UU.