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Una colección de seis artículos revisados por pares en una edición especial de marzo de 2024 de la revista científica IEEE Transactions on Applied Superconductivity, y expertos del Commonwealth Fusion System (CFS) avalan que los imanes del superconductor del Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) cumplen los requisitos para producir energía de manera controlada en una planta de fusión nuclear.
El superconductor fue fabricado en 2021 por científicos del MIT.
La fusión nuclear es el proceso mediante el cual el Sol y las estrellas se alimentan de energía.
En la fusión nuclear se combinan átomos ligeros con otros más pesados.
El sueño de aprovechar en la Tierra la fusión de energía nuclear se ha transformado en un desafío de proporciones enormes, que ha consumido décadas de investigación e inversiones millonarias.
Es que, en concreto, una planta de fusión nuclear podría marcar el comienzo de una era de producción prácticamente ilimitada de energía puesto que produciría más energía de la que consumiría.
La promesa de la energía ilimitada
Los imanes desarrollados por el MIT pueden levantar hasta unos 9 000 kilogramos con intensidad de campo magnético de 20 teslas.
Una medida que representa dos cuestiones: el peso que el imán puede sostener en condiciones ideales y la intensidad necesaria para construir una planta de energía de fusión nuclear.
Si bien esto no supera el récord de intensidad de 45,5 teslas alcanzado por el MagLab, el mayor y más potente laboratorio magnético del mundo, la ventaja de este imán es que ha conseguido la intensidad de 20 teslas consumiendo apenas unos 30 vatios de potencia eléctrica.
Ese nivel de eficiencia da como resultado la generación de un campo magnético constante y uniforme, que supera con creces cualquier campo de este tipo producido a gran escala hasta la fecha.
Laboratorio del Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT. Créditos: MIT.
Estos imanes pueden aplicarse en una amplia variedad de campos:
- en la tecnología de resonancia magnética nuclear de la medicina;
- en el transporte de levitación magnética como los trenes Maglev,
- y en la generación de energía con reactores de fusión nuclear.
Qué es la fusión nuclear
Como alternativa a la fisión nuclear se ha planteado la fusión nuclear.
La fusión nuclear permite generar una gran cantidad de energía, que potencialmente y en el largo plazo, pueden ser más seguras y limpias que la fisión nuclear.
En el proceso de la fusión nuclear dos núcleos atómicos se unen para formar uno más pesado, liberando una gran cantidad de energía.
Ese fenómeno ocurre de manera natural en el sol y en otras estrellas donde la extrema gravedad causa que los núcleos de hidrógeno se fusionen para formar helio.
Hace décadas que los científicos intentan replicar esta fuente de energía. Un verdadero desafío.
Para que la fusión nuclear ocurra es necesario crear condiciones extremas de temperatura y presión (similares a las que ocurren dentro de una estrella). Para lograrlo el plasma debe confinarse y someterse a varios millones de grados Celsius.
El plasma mantiene comprimido el combustible para que la transferencia de energía entre las partículas sea eficiente, lo que contribuye a mantener la temperatura necesaria para la fusión nuclear.
La materia en estado de plasma se forma con isótopos de hidrógeno, ━deuterio y tritio━, que se calientan a temperaturas extremas.
Reacción de fusión con isótopos del hidrógeno y sus productos.
Para conseguir estas condiciones hay dos aproximaciones que los científicos están intentando:
- el confinamiento inercial, y
- el confinamiento magnético.
Para el confinamiento inercial fabrican esferas diminutas que en su interior tienen el deuterio y tritio y les disparan con decenas o cientos de láseres desde todas direcciones para quemarlo y empujar los átomos hacia el centro para que se fusionen rápidamente.
En el confinamiento magnético se utilizan electroimanes muy potentes en una cámara con forma de anillo para mantener el plasma de deuterio y tritio girando en el centro (alejado de las paredes).
Se usan esos campos magnéticos, para acelerar el plasma y calentarlo en condiciones más controladas que el confinamiento inercial.
Experiencias
En 1934 el físico australiano Mark Oliphant (1901-2000), el físico químico austríaco Paul Harteck (1902-1985) y el físico británico (1871-1937) Ernest Rutherford fueron los pioneros en lograr la fusión nuclear acelerando partículas de deuterio a grandes velocidades.
Aquella fusión nuclear permitió la colisión entre partículas de deuterio y la generación de energía, pero en el proceso se perdieron muchas partículas que no colisionaban, por lo que el proceso resultaba poco rentable.
En el año 1952 se logró la fusión nuclear a gran escala en el ámbito militar con una bomba atómica de fusión: una bomba H. Para funcionar estas bombas cuentan con una bomba atómica de fisión que luego alcanza condiciones extremas de presión y temperatura hasta desencadenar la fusión del hidrógeno, y aumentar considerablemente el poder devastador de la bomba.
Durante los últimos 80 años han ocurrido diversos experimentos para generar la fusión nuclear de manera controlada, como los Tokamaks.
Tokamak. Crédito: Organismo Internacional de Energía Atómica.
Los Tokamaks fueron ideados por los soviéticos a partir de 1950.
El objetivo de los Tokamaks ha sido obtener, a partir de átomos ionizados a temperaturas extremas, partículas cargadas en el plasma que adquieran suficiente energía para superar la repulsión electrostática y fusionarse entre sí.
El plasma debe estar controlado bajo confinamiento magnético ya que alcanza una temperatura tan alta que derretiría cualquier contenedor. Por esto, es fundamental el uso de electroimanes superconductores eficientes.
Uno de los principales desafíos de la fusión nuclear es lograr y mantener estas condiciones extremas de manera controlada y sostenible.
Una central de este tipo podría producir electricidad sin emitir gases de efecto invernadero durante su funcionamiento y generar muy pocos residuos radiactivos.
Hasta el momento la fusión nuclear se ha podido conseguir sólo por fracciones de segundo y consumiendo más energía de la que se produce.
El 5 de diciembre de 2022 el National Ignition Facility (NIF) de Estados Unidos logró por primera vez sostener una reacción de fusión que liberara un 50 % más energía de la que absorbía. Esto se consideró un gran logro en la producción.
Sin embargo el funcionamiento total del reactor consumió 130 veces más energía que la producida, por lo que aún no es funcional como fuente de energía.
El enfoque más prometedor ha sido el proyecto International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER).
ITER es uno de los proyectos más ambiciosos y complejos en la historia de la investigación de la fusión nuclear. Se está construyendo en Francia e involucra alrededor de 35 países.
Intenta producir un plasma que produzca diez veces más potencia térmica que la que absorbe. Se espera que en un futuro su reactor demuestre una producción de 500 megavatios de potencia en sólo 500 segundos. Pero aún no funciona y las autoridades a cargo de ITER acaban de anunciar que el proyecto requerirá nueve años más.
El mayor reactor nuclear fabricado en la actualidad es el dispositivo JT-60SA que es un trabajo en conjunto de la Unión Europea y Japón. Ya está en funcionamiento recopilando datos para ayudar a futuros proyectos como ITER que planea ser unas seis veces más grande.
Reactor nuclear más grande del mundo. Dispositivo JT-60SA ubicado en los Institutos Nacionales de Ciencia y Tecnología Cuánticas (QST), Naka, Japón. Créditos: F4E/QST.
Superconductores de imanes del MIT
Los electroimanes nuevos y súpereficientes del MIT podrían potenciar el confinamiento magnético de los futuros Tokamaks, manteniendo un costo energético bajo. Esto disminuiría la barrera para que un reactor resulte en ganancia neta de energía.
Aún así, la parte más desafiante para conseguir un reactor de fusión nuclear productivo sigue siendo calentar el plasma a las altísimas temperaturas necesarias para que se de la reacción, mantenerlo estable y caliente por períodos prolongados de tiempo. Queda por ver si ITER y los futuros reactores de investigación lograrán superar esas barreras.
Los reactores nucleares del presente
Actualmente los reactores nucleares obtienen energía eléctrica mediante el proceso de fisión nuclear. El combustible de estas reacciones nucleares es el uranio. Durante estas reacciones nucleares el uranio se divide en elementos más pequeños, y el proceso libera grandes cantidades de energía.
Aunque la fisión nuclear es el proceso que alimenta a las centrales nucleares en funcionamiento en todo el mundo, también plantea desafíos en términos de gestión de residuos radiactivos, seguridad, y requiere de recursos escasos como el uranio.
