ITER: Construyendo un Sol en Miniatura en la Tierra

ITER, el Camino a la Fusión Nuclear

ITER, un acrónimo de International Thermonuclear Experimental Reactor, que también significa “El Camino” en latín, es el mayor esfuerzo del mundo para dominar la generación de energía basada en la fusión nuclear.

ITER está financiado y gestionado por siete partes: la Unión Europea (27 países), China, India, Japón, Rusia, Corea del Sur y los Estados Unidos. También tiene acuerdos de cooperación con Australia, Canadá, Kazajistán y Tailandia.

El Reino Unido formó parte del programa cuando estaba en la UE y discontinuó su participación en 2023.

Fuente: SciTech Daily

En teoría, ITER podría ser el prototipo y demostrador experimental para la fusión comercial, abriendo a la humanidad una energía prácticamente ilimitada y barata.

Esto haría tareas como reverdecer desiertos, combatir las emisiones de CO₂ o convertirse en una civilización espacial casi triviales.

Así que, aunque pueda tardar un tiempo en dar frutos, el potencial es tan colosal que podría recordarse como uno de los megaproyectos más importantes jamás creados.

Fusión Nuclear

Energía Ilimitada

La fusión nuclear es diferente de la energía nuclear clásica (fisión) porque utiliza elementos muy ligeros. En lugar de dividir átomos pesados como el uranio, fusiona átomos muy ligeros, generalmente hidrógeno.

Esto teóricamente convierte a la fusión nuclear en una fuente de energía ilimitada, ya que el hidrógeno es la forma de materia más común en el Universo.

Este proceso produce enormes cantidades de energía, resultando en 3‑10 veces más energía que la fisión nuclear y es la fuente de energía que alimenta a las estrellas.

Fuente: Nature

Un gramo de mezcla de combustible deuterio‑tritio en el proceso de fusión nuclear equivale a 11 toneladas de carbón. El consumo energético de toda una vida podría cubrirse con poco más que una botella de combustible en la mano.

Ventajas de la Fusión Nuclear

No solo la fusión nuclear proporciona mucha energía, sino que también tiene algunos beneficios clave que ninguna otra fuente de energía puede reclamar:

• El deuterio es tan abundante en los océanos y aguas superficiales de la Tierra que es esencialmente ilimitado y accesible por igual a todas las naciones.
• La reacción nuclear no produce residuos radiactivos, solo helio químicamente inofensivo.
  • Tampoco se crean CO₂ u otros productos ambientalmente dañinos por la reacción.
• Al no producir uranio enriquecido, plutonio u otros materiales radiactivos, la fusión nuclear no conlleva riesgo de proliferación nuclear (material de grado de arma nuclear).
  • Esto convertiría la adopción de la fusión nuclear en una tecnología neutral sin las restricciones impuestas a la tecnología nuclear de fisión.
• No hay riesgo de fusión o reacción en cadena fuera de control. La reacción es tan difícil de mantener que cualquier falla provocaría inmediatamente la interrupción del plasma y la detención de la reacción nuclear y la producción de energía.
• Si es autosostenible y altamente positiva en energía, se espera que la fusión nuclear sea tan barata o más barata de operar que las plantas nucleares basadas en fisión.
  • Un mayor progreso tecnológico y economías de escala al construir repetidamente el mismo diseño de reactor deberían reducir los costos con el tiempo.

La Fusión es Difícil

Considerando todo esto, ¿por qué aún no hemos alimentado a la civilización humana con fusión nuclear?

Bueno, la cuestión es que la fusión nuclear es difícil de lograr. Los núcleos de los átomos de hidrógeno tienen carga eléctrica positiva y se repelen naturalmente. Por lo tanto, puede ser muy difícil acercarlos lo suficiente para la fusión, como dos imanes ultra‑fuertes que se repelen.

En la naturaleza, solo la gravedad aplastante de una estrella completa es suficiente para empujar los átomos de hidrógeno lo bastante cerca como para desencadenar la fusión. Incluso algo tan grande como Júpiter sigue siendo “demasiado pequeño” para lograrlo. Así que, hacer que los átomos de hidrógeno se acerquen en la Tierra es muy, muy difícil.

Sin embargo, se ha logrado, y se alcanzó por primera vez con una máquina de fusión en la década de 1950. Estas máquinas demostraron la viabilidad de crear fusión pero no devolvieron suficiente energía comparada con la energía usada para desencadenarla.

(Técnicamente, la fusión nuclear a gran escala se logró ya en 1952 con la primera bomba termonuclear, pero esto es apenas una técnica utilizable para crear un suministro de energía seguro).

Otro problema con la fusión es que el plasma de fusión nuclear es extremadamente caliente, normalmente por encima de 100 millones de grados Celsius. Por lo tanto, necesita estar perfectamente contenido, o fundirá el reactor.

Debido a todos estos problemas por resolver, la fusión nuclear ha sido un campo de avance lento, con el comentario sarcástico, “La fusión siempre está a 30 años en el futuro“.

Haciendo que la Fusión Ocurra en la Tierra

Los científicos han gestionado la fusión nuclear en reactores experimentales durante muchos años. Se utilizan dos diseños principales:

• Uno se basa en láseres, concentrando una enorme cantidad de energía para impactar una pequeña pastilla de hidrógeno y desencadenar la fusión.
• El otro usa una máquina en forma de dona llamada tokamak y imanes ultra‑potentes para contener y comprimir el hidrógeno en un plasma auto‑encendido.

El problema con la fusión es que crear las condiciones adecuadas con decenas de millones de grados consume mucha energía. Así que, incluso si logramos hacerlo, la reacción de fusión tiende a no producir suficiente energía de regreso y resulta ser un consumidor neto de energía.

Los plasmas también son muy inestables, por lo que es difícil mantener la reacción de fusión por más de unos pocos segundos.

El primer tokamak se construyó en 1958, y se consideran los diseños más probables para poder sostener la fusión durante varios minutos, o idealmente horas, y producir retornos energéticos positivos.

Fuente: DOE

ITER es un diseño tokamak y será el reactor de fusión nuclear más grande jamás creado, con 10 veces el volumen de plasma del más grande hasta ahora (JT‑60SA en Japón) con 830 metros cúbicos (29 000 pies cúbicos).

Fuente: ITER

Cronología de ITER

ITER es el heredero del International Tokamak Reactor, o INTOR, una colaboración entre Occidente & Japón y la Unión Soviética iniciada en 1978.

La colaboración persistió incluso en el apogeo de la Guerra Fría. El primer objetivo se decidió en 1992, y las primeras Actividades de Diseño de Ingeniería (EDA) se completaron en 1998, con un diseño validado en 2001.

Una acalorada discusión sobre el diseño final, qué país financiaría qué, así como dónde debería construirse el reactor, retrasó el proyecto hasta que se eligió el sitio de Cadarache en Francia en 2005.

Fuente: Wikipedia

En ese intervalo, China y Corea del Sur se unieron al proyecto en 2003 e India en 2005. Los trabajos de construcción inicial comenzaron en 2007.

El ensamblaje de la máquina comenzó en 2020, con la instalación de la base del criostato de 1 250 toneladas en mayo de 2020. Las obras civiles (construcción) del sitio se terminaron en 2023.

El cierre del criostato debería completarse para 2033. La energía magnética total debería alcanzarse para 2036, y el inicio de la fase de operación deuterio‑tritio en 2039.

Presupuesto de ITER

El presupuesto inicial de ITER se concibió como “solo” €6 mil millones en costos de construcción, pero como suele ocurrir con megaproyectos científicos, se disparó a una estimación actual de $25.2 mil millones, mientras que otra estimación del Departamento de Energía de EE. UU lo sitúa más en $65 mil millones, algo que ITER ha negado vehementemente.

El proyecto ha generado hasta ahora 34 000 “años‑trabajo” y generará otros 74 000 años‑trabajo antes de la finalización de la construcción.

Objetivos de ITER

Cuanto mayor sea la cámara de plasma, más probable es que sea lo suficientemente estable para producir retornos energéticos positivos.

Pero, por supuesto, cuanto más grande sea, más costoso y complejo se vuelve.

El objetivo declarado para ITER es lograr una producción de energía térmica 10 veces mayor que la potencia térmica inyectada. El pulso de fusión debería durar hasta 8 minutos.

Combinados, esto significaría la creación de 500 MW de calor en solo 400‑6000 segundos. Debería alcanzar hasta 150 millones °C, o 10 veces la temperatura del núcleo del Sol.

Para alcanzar estos resultados, ITER necesitará lograr lo que se denomina “plasma en combustión”, donde más de la mitad de la energía recibida por el plasma proviene de reacciones de fusión (en lugar de estímulos externos). El plasma en combustión es indispensable para cualquier planta de energía comercial basada en fusión nuclear que sea energéticamente positiva.

La generación de energía de ITER no se convertirá en electricidad, ya que es un demostrador tecnológico, y convertir este calor en energía es una tecnología bien conocida que ya se usa rutinariamente en plantas nucleares de fisión comerciales que utilizan uranio.

Otro objetivo del reactor es probar en condiciones reales tecnologías clave que aún no están probadas, como imanes superconductores, manipulación remota (mantenimiento por robot), blindaje de neutrones, conversión de calor y el concepto de cría de tritio (ver más abajo).

Reactores DEMO de Fusión

ITER sería seguido por la clase DEMO de reactores, reutilizando el diseño de ITER (con posibles mejoras a partir de la retroalimentación experimental), y estos formarían la 1^ª generación de plantas de energía nuclear de fusión comercial.

Se espera que los reactores DEMO produzcan de 300 a 500 megavatios de electricidad neta para ser entregada a la red.

Entre los principales proyectos demo están:

• China: El Reactor de Pruebas de Ingeniería de Fusión China (CFETR) se diseñó en 2020 y debería construirse para 2040.
• Europa: La planta DEMO debería construirse para 2050. Un precursor de este proyecto será la construcción de una fuente de neutrones volumétrica basada en plasma (VNS) para probar las tecnologías consideradas para DEMO.
• Japón: JA‑DEMO, que se completará en la década de 2040‑2050, apuntará a una generación de energía estable más allá de varios cientos de MW y una salida de fusión de 1500 MW o superior.
• Corea del Sur: K‑DEMO se construirá después de 2050, precedido por un DEMO Virtual (V‑DEMO) basado en supercomputación, inteligencia artificial y tecnología de gemelo digital.
• Rusia: DEMO‑RF debería construirse para 2055. También se está considerando una instalación híbrida fusión‑fisión.
• India: el país se centrará primero en una planta piloto de fusión de 200‑300 MW antes de construir un reactor DEMO.
• EE. UU: El Departamento de Energía de EE. UU sigue considerando los próximos pasos, incluida la asociación con empresas privadas para las etapas posteriores a ITER.

Cría de Tritio

Como proyecto en la vanguardia de la ciencia, hay muchos conceptos que deben demostrarse experimentalmente.

Uno crítico es la producción de tritio, ya que el diseño de ITER depende de la fusión de deuterio y tritio (ambos isótopos del hidrógeno).

Fuente: Climate & Hope

El deuterio‑deuterio sería ideal, ya que el deuterio es un elemento que ocurre naturalmente, pero esto haría que la fusión artificial sea mucho más difícil debido a temperaturas requeridas aún más altas.

El problema es que el tritio no existe en la naturaleza y necesita producirse artificialmente en plantas nucleares (20 kg/año a nivel mundial). Pero ITER consumiría toda la producción mundial de tritio.

De todos modos, los futuros reactores de fusión nuclear no tendrían suficiente tritio para producir energía, ya que cada reactor de fusión requeriría de 100 a 200 kilogramos por año.

Por lo tanto, el tritio debe producirse directamente dentro del reactor. Esta es la tarea del “blanket de cría de tritio”.

Esta cubierta de 600 m² sobre las paredes del reactor, que contiene litio, tiene la doble tarea de crear energía al ser golpeada por neutrones (la base para la futura producción eléctrica) mientras también produce tritio mediante la descomposición de los átomos de litio.

Fuente: C&EN

Debe notarse que elementos intermedios como el berilio aseguran que al menos 1 tritio sea “regenerado” por cada reacción de fusión nuclear, multiplicando el número de neutrones.

En total, se probarán 6 sistemas diferentes de cría de tritio en ITER para determinar la estructura material óptima, los sistemas de enfriamiento, litio líquido vs sólido, método de extracción de litio, etc.

Diseño de ITER

El Edificio en Sí

Aunque la parte interesante respecto a la ingeniería de ITER está en la tecnología avanzada utilizada para la fusión nuclear, el edificio en sí es masivo y alberga no solo elementos de alta tecnología sino también todas las estructuras de soporte, suministro de energía, sistemas de enfriamiento, sistemas de mantenimiento, etc.

Fuente: ITER

El propio reactor ITER también es masivo, con un peso de 23 000 toneladas, 3 veces el peso de la Torre Eiffel. En total, 400 000 toneladas descansarán sobre la base inferior del Complejo Tokamak, o más del peso del Empire State Building de Nueva York.

Fuente: ITER

Para manejar todo ello, se utilizaron alrededor de 120 000 metros cúbicos de hormigón durante la fase de obras civiles del complejo Tokamak, con una gran planta de hormigón construida directamente en el sitio para producir una amplia gama de fórmulas de hormigón, cada una adaptada a los requisitos específicos de los edificios y estructuras de ITER.

El edificio también está construido con aisladores sísmicos y protegido por una estructura de hormigón reforzado de categoría nuclear.

Logística e Infraestructura

Otro problema “básico” del proyecto ITER fue la logística de traer todos los componentes grandes construidos en institutos de investigación especializados de todo el mundo, al sitio.

Por ejemplo, cada una de las 18 bobinas de campo toroidal en forma de D del Tokamak de ITER pesa 310 toneladas, y los elementos más pesados, incluido el vehículo de transporte, llegan a pesar hasta 900 toneladas. Por lo tanto, deben enviarse por mar en lugar de por aire.

Luego se transportan por una carretera especialmente modificada de 104 km (64 millas), ya que algunos de los elementos tendrán hasta 33 metros de longitud (108 pies).

La instalación también requirió una extensión de línea eléctrica de 400 kV y extensas instalaciones para oficinas, talleres, almacenamiento de equipos y confort.

Fuente: ITER

La propia construcción, a menudo requiriendo encajar en espacios estrechos, llevó al diseño de más de 100 dispositivos personalizados para el ensamblaje de la maquinaria y los edificios de ITER.

Fuente: ITER

El montaje del tokamak, con sus más de 1 000 000 de componentes, fue un proyecto en sí mismo.

Imanes Superconductores

En el núcleo de la maquinaria de ITER, los imanes usarán hilos superconductores de niobio‑estaño (Nb3Sn). En total, se necesitarán 100 000 kilómetros (62 000 millas) de estos hilos, suficiente para rodear el ecuador de la Tierra dos veces.

Fuente: ITER

Esto requirió un enorme esfuerzo de producción industrial. Antes de la ampliación de ITER, la producción mundial de hilos de niobio‑estaño era de solo 15 toneladas/año. China, Europa, Japón, Corea, Rusia y EE. UU la aumentaron a 150 toneladas/año.

Plantas de Criogenia y Torre de Enfriamiento

Los imanes superconductores solo son superconductores (sin resistencia eléctrica) cuando están ultrafríos. Es tan frío que apenas está a 4,5 °C por encima del cero absoluto.

Por lo tanto, requieren la planta criogénica, una instalación del tamaño de un campo de fútbol que almacena helio y nitrógeno para enfriarlos y convertir estos gases en líquidos ultrafríos.

Fuente: ITER

Los 50 toneladas/día de nitrógeno líquido se usan como pre‑enfriador para la planta de helio líquido, y el helio líquido se usa para enfriar los imanes. Casi 25 toneladas de helio líquido a menos 269 °C circularán en la instalación de ITER durante la operación.

Mientras el imán necesita estar ultrafrío, la fusión nuclear producirá una carga térmica máxima de 1150 MW, que debe evacuarse. Esta es la tarea de la torre de enfriamiento.

Se inyectan productos químicos para minimizar la corrosión de la tubería y mantener el pH deseado del agua. Un sistema de generación de ozono mantiene una inyección continua de ozono, que consume material orgánico y previene el crecimiento de bacterias.

Edificios de Conversión de Energía de los Imánes

Otro sistema que apoya a los imanes, la conversión de energía transforma la energía de CA de la red en CC utilizable por los imanes superconductores.

Debido a la enorme intensidad de la corriente utilizada, los cables tradicionales no pueden usarse para transportar la energía a los imanes.

En su lugar, se utilizan barras de aluminio recubiertas de acero llamadas “busbars”, activamente enfriadas mediante un flujo constante de agua a presión. Son esencialmente cables de energía pero más gruesos que los rieles de tren.

Fuente: ITER

En total, 5 km (3,1 millas) de busbars bipolares viajarán a través del complejo ITER.

Inyectores de Haz Neutro

Una vez que la fuente de alimentación y los imanes funcionan, ITER necesita inyectar el deuterio que alimentará la reacción de fusión.

El haz usará corriente eléctrica para acelerar las partículas a velocidades muy altas, e inyectará 33 MW de los 50 MW de potencia de entrada necesarios. Luego los “neutraliza”, permitiendo que atraviesen el campo magnético y transmitan su energía al plasma.

Esto utilizará más de 1 MW de voltaje de corriente directa, una cantidad muy excepcional. Requerirá componentes construidos a medida, “más allá del estado del arte”, y encajará en un edificio de 11 700 m² (126 000 pies cuadrados).

Fuente: ITER

Como este es un componente clave, el Neutral Beam Test Facility (NBTF) se construyó en Padua, Italia. Esto debería ayudar a superar algunos obstáculos técnicos, por ejemplo, que el haz de partículas usado en ITER es mucho más grueso que en experiencias de fusión nuclear anteriores.

Neutralizar los iones a esta escala también podría ser difícil, y los resultados reales deberán probarse antes de instalarse en ITER.

Fuente: ITER

Calentamiento por Ciclotrón

Las otras fuentes de calor para atacar el plasma son los sistemas de calentamiento por ciclotrón de electrones e iones. Esto incluye el Calentamiento por Resonancia de Ciclotrón de Electrones (ECRH) y el Calentamiento por Resonancia de Ciclotrón de Iones (ICRH).

Se basan en ondas electromagnéticas de alta frecuencia para crear un efecto de resonancia en las partículas del plasma, transmitiendo energía/calor de forma remota al núcleo del reactor. ECRH hace que los electrones resuenen a una frecuencia de 170 GHz, mientras que ICRH hace que los iones del plasma resuenen a una frecuencia de 40‑55 GHz.

Competidores de ITER

ITER es un proyecto tan masivo que muchos de los científicos involucrados en su diseño temprano probablemente no estarán presentes para verlo en funcionamiento.

Esta ambición también puede ser una limitación del proyecto. Se basa mayormente en diseños de tecnología de fusión de finales de los años 1990 y principios de los 2000, careciendo de supuestos y elecciones tecnológicas actualizadas.

Esto se debe a que, desde entonces, han surgido nuevos conceptos de fusión, y varias empresas privadas están explorando formas de hacer realidad la fusión nuclear con maquinaria mucho menos masiva.

Esto incluso ha llevado a algunos críticos de ITER a llamarlo “obsoleto”. La naturaleza internacional de ITER, que genera cierta burocracia y política que interfiere con la ciencia, también ha sido descrita como un problema.

Discutimos muchas de estas empresas de fusión (principalmente cotizadas en bolsa), como General Fusion, TAE Technologies, Helion y Lockheed Martin Corporation en nuestro artículo “Fusión Nuclear – La Solución de Energía Limpia Definitiva en el Horizonte”, que también discute alternativas a los diseños tokamak para lograr la fusión nuclear.

Entre los posibles avances tecnológicos de estas compañías que no estarán presentes en el diseño de ITER se pueden mencionar:

• tecnología de Fusión por Objetivo Magnetizado (MTF).
• Impresión 3D de componentes del reactor.
• Pistola de plasma, quizá más para propulsión espacial de fusión que para producción de energía.
• Captura directa de electricidad del plasma, usando la Ley de Faraday para inducir una corriente en lugar de colectar calor.

En diciembre de 2024, Commonwealth Fusion Systems (CFS) anunció que apunta a que su reactor ARC genere 400 MW para la red eléctrica de Virginia, lo que es suficiente para alimentar 150 000 hogares, con un inicio a principios de la década de 2030 (CFS usa imanes superconductores de alta temperatura).

Otras tecnologías también podrían ayudar. Una importante es la IA, que podría usarse para detectar y corregir la inestabilidad del plasma en tiempo real.

Otra es potenciales materiales superconductores a temperatura ambiente, que ahora están más cerca que nunca. Esto cambiaría radicalmente el consumo energético de un reactor de fusión, haciendo sus imanes mucho más eficientes y fiables.

Conclusión

ITER podría ser uno de los esfuerzos más importantes jamás realizados por la humanidad, a la misma escala o quizás incluso más importante que el programa Apolo.

Y aunque es posible que iniciativas privadas logren la fusión comercial antes que ITER, esto también está lejos de ser seguro.

Si la fusión nuclear es una tecnología que requiere mega‑reactores para ser energéticamente positiva y económicamente viable, es probable que solo un esfuerzo internacional como ITER pueda lograrlo.

Incluso si falla, habrá desarrollado la base industrial y formado el talento científico necesario para encontrar la clave de la fusión nuclear mediante otras opciones de diseño. Por lo tanto, en cualquier caso, difícilmente puede considerarse un desperdicio; especialmente al considerar el impacto que la energía de fusión nuclear tendría en la humanidad.

En el futuro, podemos esperar que el diseño tipo ITER mejore con nuevas tecnologías, incluyendo IA, superconductores a temperatura ambiente, captura directa de electricidad, etc.

Sin embargo, tomará más de una década antes de que ITER realice sus experimentos, convirtiéndolo en uno de los proyectos científicos más anticipados y esperados de este milenio.

Empresa Relacionada con ITER

Mitsubishi Heavy Industry

Muchos de los componentes construidos para ITER son de diseño único creados por institutos de investigación nuclear. Pero muchos otros fueron fabricados por líderes industriales en los países participantes, aportando su experiencia en fabricación e ingeniería al megaproyecto científico.

Un contribuyente importante es Mitsubishi Heavy Industry.

La empresa tiene una historia que se remonta a 1884, en la construcción naval. Más tarde comenzó a fabricar maquinaria pesada, aviones, trenes y automóviles.

En 1995, Mitsubishi Atomic Power Industry se integró al conglomerado y ha construido 24 reactores en Japón.

Hoy, la principal fuente de ingresos de la compañía son los sistemas energéticos (nuclear, gas y sistemas de vapor) y la logística & térmica (HVAC, motores, turbocompresores). Es la número 1 a nivel mundial en turbinas de gas y sistemas de captura de CO₂. Emplea a más de 77 000 personas, en 300 ubicaciones en el mundo.

Fuente: Mitsubishi Heavy Industry

Mitsubishi contribuyó a muchos componentes clave de ITER, incluyendo la bobina de campo toroidal (imán), el divertor (confinamiento del plasma) y los componentes de alto flujo de calor, incluido el sistema de calentamiento del plasma.

Fuente: Mitsubishi Heavy Industry

Además de ITER, la compañía pretende capitalizar el relanzamiento de la industria nuclear en Japón y el creciente flujo de proyectos nucleares a nivel global. La empresa también planea desarrollar su propia tecnología SMR, así como un reactor rápido (que quema residuos nucleares) y tecnologías de reactor de gas a alta temperatura.

Los crecientes presupuestos de defensa también deberían beneficiar a los segmentos aeroespacial y de construcción naval de la compañía.

En tecnología futura, Mitsubishi está trabajando en la producción de hidrógeno verde y amoníaco verde, incluido el primer proyecto mundial de suministro de amoníaco en Singapur para alimentar barcos y turbinas de gas con amoníaco en lugar de combustible y gas natural.

La captura de carbono también podría convertirse en una actividad verde en crecimiento, al igual que el enfriamiento de alta eficiencia para centros de datos.

Fuente: Mitsubishi Heavy Industry

En conjunto, Mitsubishi Heavy Industry es líder en muchas tecnologías clave para el futuro, especialmente en refrigeración, producción de energía (gas y nuclear) y construcción naval, como se ilustra al haber sido elegida para construir muchos de los componentes más importantes de ITER.