Ciencia de materiales
Impulsando el Futuro con Metales Cotidianos
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La investigación sobre fusión también depende del desarrollo de materiales. El tungsteno, el cobre y el litio desempeñan funciones distintas en las paredes del reactor, los sistemas eléctricos y el ciclo del combustible. Su importancia técnica no significa que la fusión comercial esté ya disponible.
WEST mantuvo un plasma caliente durante seis minutos en 2024
El tokamak WEST, en Francia, mantuvo un plasma a unos 50 millones de grados Celsius durante seis minutos. Se inyectaron 1,15 gigajulios de energía, un 15 % más que antes, y se alcanzó el doble de densidad del plasma. La energía indicada fue aportada al experimento, no electricidad neta generada.
WEST es operado por la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA). Participa en CICLOP, el grupo del OIEA sobre desafíos internacionales de operación de larga duración. El Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL), del Departamento de Energía de Estados Unidos, mantiene una larga colaboración con WEST y CICLOP.
“Necesitamos proporcionar una nueva fuente de energía, y la fuente debe ser continua y permanente. Estos son resultados hermosos. Hemos alcanzado un régimen estacionario a pesar de estar en un entorno desafiante debido a esta pared de tungsteno.”
– Científico del CEA y presidente de CICLOP Xavier Litaudon
Fundamentos de la Fusión
Fusión alimenta al Sol y a otras estrellas. En las reacciones de fusión, núcleos ligeros se combinan y liberan energía. En un tokamak se necesita un plasma suficientemente caliente y denso, confinado durante el tiempo adecuado.
Los tokamaks emplean campos magnéticos para confinar el plasma en una cámara toroidal. El objetivo de un futuro reactor es obtener energía útil con un balance global favorable; alcanzar una temperatura alta por sí solo no cumple ese objetivo.
Sin embargo, mantener estas reacciones el tiempo suficiente para extraer energía neta sigue siendo un desafío importante. El plasma debe ser calentado a temperaturas muy altas y mantenerse estable. El grafito se ha usado en distintos experimentos, pero puede retener demasiado combustible para ciertos reactores futuros. Por eso se investigan materiales alternativos.
Paredes de Tungsteno de WEST: Un Avance Relevante para Reactores
WEST está revestido con tungsteno, que retiene menos combustible que el carbono. Sin embargo, incluso pequeñas cantidades de tungsteno que entren en el plasma pueden enfriarlo por radiación. Luis Delgado-Aparicio, del PPPL, explica:
“El entorno de pared de tungsteno es mucho más desafiante que usar carbono. Esto es, simplemente, la diferencia entre intentar agarrar a tu gatito en casa y intentar acariciar al león más salvaje.”
La duración de seis minutos demuestra avances en la operación con paredes de tungsteno. El predecesor Tore Supra había logrado una descarga ligeramente más larga con grafito. El valor del resultado de WEST está, entre otros aspectos, en utilizar materiales relevantes para reactores.
Nuevo Diagnóstico de Rayos X Permite un Avance
La descarga se estudió con una cámara de rayos X blandos de múltiples energías, ME-SXR. El PPPL adaptó tecnología de detectores fabricada por DECTRIS para caracterizar el plasma.
“El grupo de rayos X del Departamento de Proyectos Avanzados del PPPL está desarrollando todas estas herramientas innovadoras para tokamaks y stellarators alrededor del mundo.”
– Delgado-Aparicio, jefe de proyectos avanzados del PPPL
La cámara tomó mediciones en ocho energías entre 11 y 18 kiloelectronvoltios (keV). Comparar las intensidades permitió estimar la temperatura del plasma, con menor interferencia de las ondas de calentamiento por radiofrecuencia que en algunos métodos anteriores.
El ME-SXR ayuda a calcular la temperatura electrónica, la carga del plasma y la densidad de impurezas, especialmente tungsteno procedente de las paredes. Estos datos permiten estudiar la operación de pulsos largos. Según el coordinador Rémi Dumont:
“Este sistema en particular es el primero de su tipo con discriminación de energía. Es espectacular. Gracias a estas nuevas mediciones, tendremos la capacidad de medir el tungsteno dentro del plasma y de comprender el transporte del tungsteno desde la pared al núcleo.”
Resultados del Récord Abren Puertas para el Desarrollo de Reactores
El equipo del PPPL encontró una temperatura electrónica central estable equivalente a unos 4–4,5 keV, cerca de 50 millones de grados Celsius, durante la descarga. En este contexto se trata de energía por partícula, no de una tensión eléctrica en kilovoltios.
Estos hallazgos fueron corroborados por simulaciones avanzadas de científicos del CEA. Según Litaudon:
“Esta cámara que resuelve energía abrirá una nueva vía en términos de análisis. Gracias a estos diagnósticos, podemos entender este problema y llegar a la raíz de la física tanto para la medición como para la simulación.”
PPPL y WEST buscan mejorar aún más su control de la temperatura y de las impurezas de tungsteno para permitir operaciones aún más largas y estables. Además, el PPPL está compartiendo su tecnología ME‑SXR con tokamaks de todo el mundo para acelerar la investigación relevante para reactores.
“El ME‑SXR es solo una parte de una contribución más global de diagnósticos del PPPL al CEA/WEST. Esta colaboración nos ayuda mucho. Con esta combinación de diagnósticos, podremos realizar mediciones muy precisas en el plasma y controlarlo en tiempo real.”
– Dumont
Metales Cotidianos Impulsando la Fusión: Tungsteno, Cobre, Litio
Mientras el plasma ocupa el centro de atención, el futuro de la fusión también depende de sus componentes más tangibles. Tres metales están demostrando ser esenciales: tungsteno, cobre y litio.
El tungsteno tiene un punto de fusión de unos 3.422 °C, el más alto entre los metales. Los componentes de pared siguen necesitando refrigeración y no alcanzan la temperatura del núcleo del plasma. Xiamen Tungsten Co., Ltd., que cotiza en Shanghái, es un importante productor.
En 2023, Xiamen Tungsten reportó ingresos de unos 39.398 millones de yuanes, un 18,30 % menos, y un beneficio neto atribuible a los accionistas de unos 1.602 millones de yuanes, un 10,75 % más. Estos resultados históricos no demuestran contratos específicos de suministro para fusión ni garantizan rentabilidad al inversor.
El cobre ofrece alta conductividad eléctrica y térmica. Puede utilizarse en conexiones eléctricas, componentes de sistemas magnéticos y equipos de extracción de calor.
Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) es un gran productor de cobre con sede en Estados Unidos. En 2023 reportó ingresos de 22.855 millones de dólares y un beneficio neto atribuible a las acciones ordinarias de 1.848 millones. Las redes eléctricas, los vehículos eléctricos y las energías renovables constituyen mercados establecidos para el cobre; la fusión comercial sería una demanda futura.
El litio es el metal más ligero. En algunos diseños de reactor, los mantos con litio podrían producir tritio al interactuar con los neutrones. Esta función depende de reacciones nucleares y es distinta de su uso electroquímico en baterías. Albemarle Corporation (ALB) (ALB ), un importante productor de litio, registró ingresos anuales récord de 9.620 millones de dólares en 2023, un aumento del 31 % respecto al año anterior.
ALB Gráfico de precios
El negocio de almacenamiento de energía de Albemarle tuvo un aumento de volumen del 35 % en el cuarto trimestre de 2023, apoyado entre otros factores por la expansión de La Negra en Chile. No es el crecimiento de volumen de todo el año. Los precios del litio, la demanda y los costos seguían influyendo en sus perspectivas.
La fusión comercial podría crear demanda adicional de materiales especializados. Su magnitud y calendario son inciertos, y los resultados de los productores dependen también de otros mercados y de la competencia.
Alianzas Pioneras Impulsan el Progreso
La colaboración reúne al CEA, al PPPL y a DECTRIS. El desarrollo de los diagnósticos recibió financiación del DOE. WEST ofrece un entorno importante para estudiar pulsos largos con paredes de tungsteno, pero no es el único dispositivo de fusión que utiliza este metal.
DECTRIS, líder mundial en detectores de rayos X, proporcionó la tecnología central que PPPL adaptó al novedoso ME‑SXR. Según el Director de Ventas de DECTRIS, Nicolas Pilet:
“La comunidad de fusión de plasma fue una de las primeras en probar la tecnología híbrida de conteo de fotones para monitorizar la dinámica del plasma. Estamos increíblemente orgullosos de contribuir a este desarrollo con nuestros productos y nos entusiasma nuestra excelente colaboración.”
El resultado apoya el trabajo de CICLOP sobre los desafíos de operación prolongada. El grupo combina experiencias y recursos de varias instituciones. Litaudon afirmó:
“Este hito representa un paso importante hacia los objetivos del programa CICLOP. El trabajo del PPPL en WEST es un excelente ejemplo.”
En el Camino hacia la Energía de Fusión Limpia
La descarga de seis minutos de WEST en 2024 fue un avance en el control de plasma caliente con paredes de tungsteno. Los nuevos diagnósticos permiten investigar mejor la temperatura y las impurezas. El experimento no demostró producción neta de electricidad para la red.
Un reactor viable necesita controlar a la vez temperatura, densidad, pérdidas de energía, estabilidad, carga sobre los materiales, extracción de calor y ciclo del combustible. La duración de la descarga es solo uno de estos requisitos.
La fusión podría llegar a proporcionar energía con bajas emisiones durante su operación. Si se resuelven los desafíos técnicos y económicos, podría contribuir a mejorar la seguridad energéticay apoyar la transición energética. WEST y CICLOP muestran el papel de la cooperación internacional en esta investigación.
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