La forma en que piensan los científicos fusión cambió para siempre en 2022, cuando lo que algunos llamaron la experiencia del siglo demostró por primera vez que la fusión puede ser una fuente viable de energía limpia.
El experimento, en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, mostró el encendido: una reacción de fusión que genera más energía de la que inyecta.
Además, los últimos años han estado marcados por una una ganancia inesperada de varios miles de millones de dólares de inversión privada en este ámbitoprincipalmente en Estados Unidos.
Pero es necesario abordar una serie de desafíos técnicos antes de que la fusión pueda ampliarse y convertirse en una fuente de energía segura y asequible. energía limpia prácticamente ilimitada. En otras palabras, es tiempo de ingeniería.
Como ingenieros que trabajaron en ciencia basica Y ingeniería aplicada Habiendo estado en el campo de la fusión nuclear durante décadas, hemos visto gran parte de la ciencia y la física de la fusión alcanzar la mayoría de edad en los últimos diez años.
Pero para hacer de la fusión una fuente de energía comercial factible, los ingenieros deben abordar ahora una serie de desafíos prácticos. Que Estados Unidos aproveche esta oportunidad y se convierta en líder mundial en energía de fusión dependerá en parte de hasta qué punto el país esté dispuesto a invertir para resolver estos problemas prácticos. especialmente a través de asociaciones público-privadas.
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Construir un reactor de fusión
La fusión ocurre cuando dos tipos de átomos de hidrógeno, deuterio y tritio, chocan en condiciones extremas. Los dos átomos literalmente se fusionan en un solo átomo al calentarse hasta 180 millones de grados Fahrenheit (100 millones de grados Celsius), 10 veces más caliente que el núcleo del sol. Para que se produzcan estas reacciones, la infraestructura de energía de fusión deberá soportar estas condiciones extremas.
Hay dos enfoques para lograr la fusión en el laboratorio: la fusión por confinamiento inercial, que utiliza potentes láseresy fusión por confinamiento magnético, que utiliza potentes imanes.
Mientras que el “experimento del siglo” utilizó la fusión por confinamiento inercial, la fusión por confinamiento magnético aún no ha demostrado que puede alcanzar el punto de equilibrio en términos de producción de energía.
Varios experimentos financiados por el sector privado. Nuestro objetivo es lograr esta hazaña a finales de esta década.y amplia experiencia sostenida a nivel internacional en Francia, ITER, también espera alcanzar el punto de equilibrio para finales de la década de 2030. Ambos utilizan fusión por confinamiento magnético.
Los desafíos por delante
Los dos enfoques de fusión comparten una serie de desafíos que no serán fáciles de superar. Por ejemplo, los investigadores deben desarrollar nuevos materiales que Puede soportar temperaturas extremas y condiciones de irradiación..
También los materiales de los reactores de fusión. volverse radiactivo porque son bombardeados con partículas altamente energéticas. Los investigadores deben diseñar nuevos materiales que pueden descomponerse en unos pocos años hasta niveles de radiactividad que pueden eliminarse de forma segura y más sencilla.
Producir suficiente combustible, y hacerlo de manera sostenible, también es un desafío importante. El deuterio es abundante y se puede extraer del agua corriente. Pero acelerar la producción de tritioque normalmente se produce a partir de litio, resultará mucho más difícil. Un solo reactor de fusión necesitará entre cientos de gramos y un kilogramo (2,2 libras) de tritio por día para funcionar.
Actualmente, los reactores nucleares convencionales producen tritio como subproducto de la fisión, pero no pueden proporcionar suficiente para alimentar una flota de reactores de fusión.
Por lo tanto, los ingenieros tendrán que desarrollar la capacidad de producir tritio dentro del propio dispositivo de fusión. Esto podría implicar rodear el reactor de fusión con material que contenga litio, lo que la reacción se transformará en tritio.
Para ampliar la fusión inercial, los ingenieros necesitarán desarrollar láseres que puedan golpear repetidamente un objetivo de combustible de fusión, hecho de deuterio y tritio congelado, varias veces por segundo aproximadamente. Pero ningún láser es todavía lo suficientemente potente como para hacerlo a esta velocidad. Los ingenieros también tendrán que desarrollar sistemas de control y algoritmos para dirigir estos láseres con extrema precisión hacia el objetivo.
Además, los ingenieros necesitarán aumentar la producción objetivo en varios órdenes de magnitud: de unos pocos cientos hechos a mano cada año con un precio de cientos de miles de dólares cada uno a millones que cuestan sólo unos pocos dólares cada uno.
Para el confinamiento magnético, los ingenieros y científicos de materiales necesitarán desarrollar métodos más eficientes para calentar y controlar el plasma, así como materiales más resistentes al calor y a la radiación para las paredes del reactor. La tecnología utilizada para calentar y confinar el plasma hasta que los átomos se fusionen debe funcionar de manera confiable durante años.
Estos son algunos de los grandes desafíos. Son difíciles pero no insuperables.
Panorama actual de financiación
La inversión de las empresas privadas a nivel mundial ha ido aumentando; probablemente seguirá siendo un factor importante en el avance de la investigación sobre la fusión. Las empresas privadas han atraído más de 7 mil millones de dólares en inversión privada en los últimos cinco años.
Varias startups se están desarrollando. Diferentes tecnologías y diseños de reactores. con el objetivo de añadir la fusión a la red eléctrica en las próximas décadas. La mayoría tiene su sede en Estados Unidos, algunos en Europa y Asia.
Aunque la inversión del sector privado ha aumentado, el gobierno de Estados Unidos sigue desempeñando un papel clave en el desarrollo de la tecnología de fusión hasta el día de hoy. Esperamos que siga haciéndolo en el futuro.
Fue el Departamento de Energía de Estados Unidos el que invirtió aproximadamente 3 mil millones de dólares para construir la Instalación Nacional de Ignición en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. a mediados de la década de 2000donde 12 años después tuvo lugar la “experiencia del siglo”.
En 2023, el Departamento de Energía anunció un programa de cuatro años y 42 millones de dólares. desarrollar centros de fusión para tecnología. Si bien esta financiación es importante, probablemente no será suficiente para abordar los desafíos más importantes que aún quedan por delante para que Estados Unidos se convierta en un líder mundial en energía de fusión práctica.
Una forma de crear asociaciones entre el gobierno y las empresas privadas en esta área podría ser crear relaciones similares a éstas. entre la NASA y SpaceX. Como socio comercial de la NASA, EspacioX recibe financiación pública y privada para desarrollar tecnología que NASA puede usar. Fue la primera empresa privada. enviar astronautas hacia el espacio y Estación Espacial Internacional.
Como muchos otros investigadores, somos cautelosamente optimistas. Nuevos resultados experimentales y teóricos, nuevas herramientas e inversiones del sector privado refuerzan nuestra creciente sensación de que el desarrollo práctico de la energía de fusión ya no es un si sino un cuándo.
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