Recipientes de Fusión Esférica y Mayonesa – Reimaginando Nuestras Futuras Necesidades Energéticas

La energía de fusión es tan antigua como nuestro sistema cósmico. Alimenta el sol y las estrellas. Sin embargo, su aplicación en nuestro planeta sigue siendo experimental.

Según un informe a mediados de julio, las inversiones en el sector aumentaron más de 900 millones de dólares este año, alcanzando aproximadamente 7.1 mil millones de dólares. Sin embargo, los expertos creen que el crecimiento de las inversiones aún no es suficiente. Es inferior al aumento de 1.4 mil millones de dólares logrado el año pasado y 2.8 mil millones de dólares en 2022.

Según Andrew Holland, director de la Fusion Industry Association:

El crecimiento observado en los últimos 12 meses es positivo, pero no será suficiente para cumplir los ambiciosos objetivos de la fusión.

Como en cualquier otro sector, el crecimiento solo se puede lograr mediante la innovación. Hoy, exploraremos una de esas innovaciones eficientes y cruciales — dirigida a eliminar la necesidad de una bobina de calentamiento óhmico — que podría ser el motor de diseño más impactante para lograr sistemas de reactores tokamak de fusión compactos y económicos.

Pero antes de profundizar en la investigación y sus ramificaciones, debemos tener una breve visión general de cómo funciona la ciencia de la energía de fusión y el papel que juegan los sistemas tokamak en ella.

La Ciencia de la Energía de Fusión y los Sistemas Tokamak

Es un campo multidisciplinario de la ciencia que apunta a desarrollar una fuente de energía basada en la fusión controlada. El principio básico de la fusión implica combinar dos núcleos para formar un núcleo.

En un nivel más práctico, la fusión en la Tierra implica crear condiciones que resulten en la generación de plasmas sostenidos, que son gases tan calientes que los electrones se liberan de los núcleos atómicos. Los investigadores utilizan campos eléctricos y magnéticos para controlar la colección resultante de iones y electrones porque poseen carga eléctrica. Este mecanismo es lo que inspira el nombre fusión controlada.

Los sistemas tokamak ayudan a confinar el plasma usando campos magnéticos en una forma de dona llamada toro. Con los años, los tokamaks se han convertido en el concepto líder de confinamiento de plasma para las futuras plantas de energía de fusión. La investigación que discutiremos en el siguiente segmento trata de optimizar el espacio del tokamak.

Recipientes de Fusión Compactos y Esféricos: Un Tokamak Más Pequeño como una Opción de Fusión Más Económica

Un amplio equipo de investigadores ha estado al frente de esta investigación, incluyendo científicos del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), de la empresa privada Tokamak Energy y de la Universidad de Kyushu en Japón. Su propuesta es simple en cuanto a la idea: una planta piloto de fusión compacta y esférica que calienta el plasma usando solo microondas.

El uso de microondas eliminaría la necesidad de una enorme bobina de alambre de cobre llamada solenoide ubicada cerca del centro del recipiente para calentar el plasma.

Al detallar la utilidad de eliminar este enfoque convencional de calentamiento óhmico, Mayasuki Ono, física investigadora principal en PPPL y autora principal del artículo, dijo:

“Un plasma tokamak esférico y compacto se parece a una manzana con corazón, con un núcleo relativamente pequeño, por lo que no hay espacio para una bobina de calentamiento óhmico. Si no tenemos que incluir una bobina de calentamiento óhmico, probablemente podamos diseñar una máquina que sea más fácil y barata de construir.”

Para lograr su objetivo, el experimento aprovecha una tecnología llamada ECCD, que significa Conducción de Corriente por Ciclotrón de Electrones, la cual puede simultáneamente generar corriente y calentar el plasma. Los investigadores también han desarrollado un código informático llamado TORAY, que, en combinación con otro llamado TRANSP, puede escanear los ángulos de apuntado del haz para determinar la mayor eficiencia y minimizar la potencia requerida para generar la corriente necesaria.

Los investigadores también han identificado el modo de ECCD que funcionaría mejor para cada fase del proceso de calentamiento. Las opciones probables involucran dos modos:

• Modo O o modo ordinario
• Modo X o modo extraordinario

Ambos modos son útiles y contribuyen al funcionamiento general del sistema. El modo X funciona mejor cuando se necesita aumentar la temperatura y la corriente del plasma. El modo O es la opción más adecuada para mantener la temperatura y la corriente del plasma después del aumento.

Al resumir las opciones de calentamiento alternativas, Ono dijo:

“El modo O es bueno para un plasma de alta temperatura y alta densidad. Pero descubrimos que la eficiencia del modo O se vuelve muy pobre a temperaturas más bajas, por lo que se necesita algo más para atender el régimen de bajas temperaturas.”

Los investigadores también subrayaron la importancia de mantener el plasma libre de impurezas. Los campos magnéticos fuertes confinan en gran medida el plasma dentro de un tokamak en una forma particular, pero a veces el plasma puede acercarse a las paredes interiores del tokamak, permitiendo que átomos de las paredes se desprendan e ingresen al plasma.

Aunque las propuestas de investigación siguen siendo experimentales, ya podemos ver la participación de entidades comerciales que pueden llevar esta solución adelante, escalarla y hacer que la aplicación de la energía de fusión sea más optimizada y eficiente energéticamente. En el siguiente segmento, discutimos Tokamak, la empresa que ya ha estado involucrada en el proceso.

#1. Tokamak Energy Inc.

Tokamak ha estado a la vanguardia del desarrollo de la tecnología necesaria para entregar con éxito energía de fusión en la década de 2030. Su visión es hacer que la energía de fusión sea limpia, segura, asequible y fácilmente disponible.

Hasta ahora, la empresa ha obtenido 77 familias de solicitudes de patentes y ha recaudado un total de 250 millones de dólares. De esos 250 millones, 200 millones provienen de inversores privados, y el resto de los gobiernos del Reino Unido y de EE. UU.

En su vida operativa, la empresa ha añadido muchos logros a su haber. Por ejemplo, en 2022, la compañía se convirtió en la primera empresa privada de fusión en alcanzar una temperatura de 100 millones de grados Celsius del ion de plasma en un tokamak, el umbral para la fusión a escala comercial.

Ese mismo año, la compañía también fue acreditada con el ‘triple producto’ de plasma más alto de cualquier empresa privada de fusión, una medida clave de la temperatura del plasma y del tiempo de confinamiento.

Ya hemos discutido el Tokamak esférico, que es una de las rutas mejor investigadas y ampliamente consideradas para la energía de fusión. Sus ventajas incluyen eficiencia operativa, estabilidad del plasma y rentabilidad.

El ST40 de Tokamak, un tokamak esférico compacto de alto campo, es uno de los más avanzados en este campo. Con él, Tokamak logró una temperatura de ion de plasma de 100 millones de grados Celsius, que es seis veces más caliente que el centro del Sol.

Tokamak también está construyendo un sistema magnético Demo4 en una instalación de pruebas diseñada específicamente. El sistema consta de 44 bobinas HTS individuales ensambladas en 14 brazos de campo toroidal y dos bobinas de campo poloidal en una estructura en forma de jaula. Puede operar en vacío a 20 Kelvin (-250 °C) con una intensidad de campo magnético casi un millón de veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra.

#2. Helion

Otra empresa que está realizando un trabajo revolucionario en este campo es Helion. La compañía afirma haber construido la primera planta de energía de fusión del mundo. El generador de fusión de Helion también es capaz de elevar el combustible de fusión a más de 100 millones de grados Celsius. Además, puede extraer electricidad con un enfoque pulsado de alta eficiencia.

En cuanto a la tecnología, la solución de Helion aprovecha la tecnología de fusión magneto-inercial. La tecnología de Helion tiene tres características destacadas que la diferencian de otros enfoques disponibles en este sector. Para permitir el ajuste de la potencia de salida según la necesidad, la compañía utiliza un sistema de fusión pulsado, sin ignición.

Similar a cómo funciona un sistema de frenado regenerativo en un coche eléctrico, el sistema Helion puede recuperar directamente la electricidad. Esto hace que el sistema Helion sea mucho más eficiente energéticamente, ya que los otros sistemas de fusión disponibles calientan agua para crear vapor que impulsa la turbina, perdiendo mucha energía en el proceso.

Helion utiliza deuterio y helio‑3 (D‑³He) como combustible. La fusión de estos dos produce partículas cargadas que pueden ser recapturadas directamente como electricidad, manteniendo el sistema pequeño, eficiente, rápido y rentable. El uso de deuterio y helio‑3 (D‑³He) como combustible ayuda a reducir las emisiones de neutrones y disminuye significativamente los desafíos de ingeniería que surgen al usar combustible de fusión de deuterio‑tritio.

Es importante destacar que la compañía cree que su energía de fusión podría convertirse en una de las fuentes de electricidad de menor costo, produciendo idealmente electricidad a una tarifa de 0,01 USD por kWh.

Según la información más reciente disponible, la compañía, fundada en 2008, podría recaudar 500 millones de dólares para finales de 2021, alcanzando una valoración de 1,25 mil millones de dólares. Esta última ronda fue liderada por Sam Altman, CEO de OpenAI, quien invirtió personalmente 375 millones de dólares, subrayando la fuerte creencia en el potencial de Helion para revolucionar la producción de energía mediante la tecnología de fusión. La financiación total ahora asciende a 577 millones de dólares, que se destinarán a completar el séptimo prototipo de Helion, Polaris, y acercarse a la comercialización de la energía de fusión para 2024.

El trabajo tecnológico avanzado de empresas como Tokamak y Helion está ayudando al campo de la energía de fusión a dar grandes pasos. La investigación específica que citamos para iniciar nuestra discusión fue el resultado de una asociación público‑privada. Demuestra que existe una transferencia constante y sistémica de conocimientos y capacidades entre instituciones de investigación y empresas comerciales.

El Futuro de los Recipientes de Fusión: Pensamiento Innovador hacia la Optimización de Recursos

Tener éxito con la fusión requeriría profundizar más en su ciencia. Los científicos están más curiosos que nunca.

La Mayonesa Ayuda a los Investigadores a Resolver Desafíos Complejos de la Energía de Fusión

Un equipo de investigadores de la Universidad de Lehigh está utilizando mayonesa como ingrediente clave en su investigación en curso sobre las fases de la inestabilidad de Rayleigh‑Taylor. Esta investigación podría informar el diseño de futuros procesos de fusión por confinamiento inercial para energía limpia.

Según Arindam Banerjee, Profesor Paul B. Reinhold de Ingeniería Mecánica y Mecánica en la Universidad de Lehigh y Presidente del departamento MEM en el P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science:

“El equipo sigue trabajando en el mismo problema, que es la integridad estructural de las cápsulas de fusión utilizadas en la fusión por confinamiento inercial, y la Mayonesa Real de Hellmann sigue ayudándonos en la búsqueda de soluciones.”

La mayonesa ayuda al equipo actuando como un sólido que comienza a fluir cuando se somete a un gradiente de presión. El problema de Rayleigh‑Taylor, un tema bien conocido en física, implica el fenómeno que ocurre entre materiales de diferentes densidades cuando los gradientes de densidad y presión están en direcciones opuestas, creando una estratificación inestable. El uso de mayonesa permite probar posibles soluciones sin necesidad de altas temperaturas y condiciones de presión, que son extremadamente difíciles de controlar.

Fusión Fría sin Temperaturas Extremas

Otro reciente avance en la fusión fría ha reavivado las esperanzas de lograr energía limpia sin la necesidad de temperaturas extremadamente altas y plasma, tradicionalmente asociados con la fusión nuclear.

Este desarrollo, que durante mucho tiempo se consideró ciencia marginal, implica el uso de la ciencia de materiales, metales raros y procesos químicos específicos para lograr fusión nuclear a temperaturas más bajas.

La comunidad científica había descartado previamente la fusión fría debido a la imposibilidad de replicar los resultados experimentales iniciales, pero un nuevo estudio revisado por pares publicado en Nature sugiere una posible vía a seguir al observar emisiones de neutrones durante experimentos con polvo de titanio deuterado bajo cavitación acústica. Este descubrimiento podría allanar el camino para más investigaciones sobre la fusión fría como una fuente de energía alternativa viable, ofreciendo el potencial de energía limpia y prácticamente ilimitada.

Los hallazgos del estudio desafían la creencia arraigada de que la fusión nuclear requiere las condiciones extremas encontradas en las estrellas, como millones de grados de temperatura y campos magnéticos potentes. En cambio, este nuevo enfoque explora el potencial de lograr fusión mediante mecanismos diferentes, lo que podría revolucionar el panorama energético al proporcionar un método más accesible y menos intensivo en recursos para generar energía.

Si tiene éxito, la fusión fría podría eludir la enorme infraestructura y el consumo de energía requeridos por los métodos tradicionales de fusión, convirtiéndose en un factor decisivo en la búsqueda de soluciones energéticas sostenibles y limpias.

IA: Un Cambio de Juego en la Estabilización de Reacciones de Fusión Nuclear

Con una sofisticación creciente y habilidades en expansión, la IA está revolucionando el campo de la fusión nuclear al predecir y prevenir inestabilidades del plasma, que históricamente han obstaculizado la sostenibilidad de las reacciones de fusión.

Investigadores de la Universidad de Princeton y del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton del Departamento de Energía de EE. UU. han desarrollado un modelo de IA capaz de prever interrupciones del plasma, como inestabilidades de modo de desgarro, hasta 300 milisegundos antes de que se manifiesten. Esto permite que la IA realice ajustes en tiempo real a los parámetros del reactor, manteniendo la estabilidad del plasma y evitando que la reacción termine prematuramente.

El poder predictivo de la IA proviene de su entrenamiento con datos de experimentos pasados, lo que le permite responder de manera dinámica a posibles inestabilidades de formas que los modelos tradicionales basados en la física no pueden.

Dado que el plasma es inherentemente inestable y complejo, mantener su estabilidad ha sido un desafío significativo para sostener la fusión nuclear. Tradicionalmente, los métodos se han centrado en mitigar las inestabilidades solo después de que hayan comenzado a perturbar el plasma, a menudo demasiado tarde para salvar la reacción.

Al aprovechar la capacidad de la IA para predecir y contrarrestar preventivamente estas inestabilidades, el proceso de fusión se vuelve más estable y viable, acercándose a la realización de una energía de fusión práctica y sostenible. Este avance no solo mejora las perspectivas de la fusión como fuente de energía ilimitada, sino que también subraya el papel crítico que la IA está desempeñando para superar los obstáculos más desafiantes en la investigación de fusión.

¿Qué Nos Depara el Futuro?

El futuro verá a las empresas idear soluciones de energía de fusión que optimicen el espacio y el uso de recursos en términos de energía y costo. Según Omar Hurricane, líder de programa en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, donde se encuentra la instalación National Ignition:

“La fusión parece mucho más plausible ahora que hace diez años como fuente de energía futura.”

En 2023, los científicos lograron un avance cuando crearon una reacción nuclear que podía generar más energía de la que consumía. Según se informó, el experimento utilizó un conjunto de 192 láseres para entregar 2,05 megajulios de energía sobre un cilindro de oro del tamaño de un guisante que contenía una pelota congelada de los isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio.

La energía fue tan intensa que colapsó la cápsula. La temperatura alcanzada solo puede ser igualada por estrellas y armas termonucleares. En términos más específicos, según sugiere el laboratorio, se liberaron 3,15 megajulios de energía —casi un 54 % más que la energía que se invirtió en la reacción y más del doble del récord anterior de 1,3 megajulios.

Muchos investigadores creían que los resultados del experimento tenían un gran potencial para el futuro. Según Michael Campbell, exdirector del laboratorio de fusión de la Universidad de Rochester en Nueva York y defensor temprano del NIF mientras estaba en el laboratorio Lawrence Livermore, el avance podría aumentar la confianza en la promesa de la energía de fusión láser y, en última instancia, abrir la puerta a un nuevo programa centrado en aplicaciones energéticas. Kim Bundil, director del laboratorio Lawrence Livermore, consideró que era el “bloque de construcción fundamental de un esquema de energía de fusión por confinamiento inercial”.

El ensayo y su éxito también demostraron la necesidad de muchos desarrollos futuros que harían el proceso más robusto. Por ejemplo, para que el ensayo se convierta en un proceso viable, la energía liberada en comparación con la energía que se emplea en producir los pulsos láser debe crecer al menos en dos órdenes de magnitud.

El futuro también necesita observar un aumento dramático en la velocidad con la que los láseres pueden producir los pulsos y cuán rápido pueden vaciar la cámara objetivo para prepararla para otra ignición.

Aunque estos esfuerzos continuarán en los próximos días, concluiremos la discusión de hoy mencionando otro proyecto vital en este ámbito: el proyecto ITER de 22 mil millones de dólares, una colaboración entre China, la Unión Europea, India, Japón, Corea, Rusia y los Estados Unidos. El proyecto trabaja para lograr una fusión autosostenida, donde la energía de la fusión produciría más fusión.

Lentamente y de manera constante, a medida que los experimentos actuales culminen en su fin, la energía de fusión se volverá más rentable, optimizada y lista para una mayor adopción masiva.