La forma en que los científicos piensan fusión cambió para siempre en 2022, cuando lo que algunos llamaron el experimento 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 ignición: una reacción de fusión que genera más energía de la que se introduce.
Además, los últimos años han estado marcados por una Ganancia inesperada multimillonaria de inversión privada en este campo.principalmente en Estados Unidos.
Pero es necesario abordar una gran cantidad de desafíos de ingeniería antes de que la fusión pueda ampliarse y convertirse en una fuente segura y asequible de Energía limpia prácticamente ilimitada. En otras palabras, es tiempo de ingeniería.
Como ingenieros que han estado trabajando en ciencia fundamental y ingeniería aplicada En la fusión nuclear durante décadas, hemos visto gran parte de la ciencia y la física de la fusión alcanzar la madurez en los últimos 10 años.
Pero para hacer de la fusión una fuente viable de energía comercial, los ingenieros ahora tienen que afrontar una serie de desafíos prácticos. Que Estados Unidos aproveche esta oportunidad y emerja como líder mundial en energía de fusión dependerá, en parte, de cuánto esté dispuesto el país a invertir para resolver estos problemas prácticos. particularmente a través de asociaciones público-privadas.
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Construyendo 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 calentándose hasta 180 millones de grados Fahrenheit (100 millones de grados Celsius), 10 veces más caliente que el núcleo del sol. Para que estas reacciones se produzcan, 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 todavía tiene que demostrar que puede alcanzar el punto de equilibrio en la generación de energía.
Varios experimentos financiados con fondos privados. Nuestro objetivo es lograr esta hazaña a finales de esta década.y un gran experimento con apoyo internacional en Francia, ITER, también espera alcanzar el punto de equilibrio a finales de la década de 2030. Ambos utilizan fusión por confinamiento magnético.
Desafíos por delante
Ambos enfoques de la fusión comparten una serie de desafíos que no será barato superar. Por ejemplo, los investigadores necesitan desarrollar nuevos materiales que Puede soportar temperaturas extremas y condiciones de irradiación..
Los materiales del reactor de fusión también volverse radiactivo ya que son bombardeados con partículas altamente energéticas. Los investigadores necesitan 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 aumentar 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 al día para funcionar.
En este momento, los reactores nucleares convencionales producen tritio como subproducto de la fisión, pero no pueden proporcionar suficiente para sostener una flota de reactores de fusión.
Por lo tanto, los ingenieros deberán 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 convertirá en tritio.
Para ampliar la fusión inercial, los ingenieros necesitarán desarrollar láseres capaces de alcanzar repetidamente un objetivo de combustible de fusión, hecho de deuterio y tritio congelados, varias veces por segundo aproximadamente. Pero ningún láser es lo suficientemente potente para hacer esto a esa velocidad… todavía. Los ingenieros también necesitarán desarrollar sistemas de control y algoritmos que dirijan estos láseres con extrema precisión hacia el objetivo.
Además, los ingenieros necesitarán aumentar la producción de objetivos en órdenes de magnitud: desde 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 la contención magnética, los ingenieros y científicos de materiales necesitarán desarrollar métodos más eficaces para calentar y controlar el plasma y 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
Las inversiones de empresas privadas a nivel mundial han aumentado; es probable que sigan siendo un factor importante que impulse 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 los Estados Unidos, y algunos en Europa y Asia.
Si bien las inversiones del sector privado han aumentado, el gobierno de Estados Unidos sigue desempeñando un papel clave en el desarrollo de la tecnología de fusión hasta este momento. Esperamos que continúe haciéndolo en el futuro.
Fue el Departamento de Energía de Estados Unidos el que invirtió alrededor de 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 el «experimento del siglo».
En 2023, el Departamento de Energía anunció un programa de cuatro años y 42 millones de dólares. desarrollar centros de fusión para la tecnología. Si bien esta financiación es importante, probablemente no será suficiente para resolver los desafíos más importantes que aún quedan por delante para que Estados Unidos emerja como líder mundial en energía de fusión práctica.
Una forma de crear asociaciones entre el gobierno y las empresas privadas en este espacio podría ser crear relaciones similares a la entre la NASA y SpaceX. como uno de NASAlos socios comerciales de, EspacioX recibe financiación gubernamental y privada para desarrollar tecnología que NASA puede usar. Fue la primera empresa privada. enviar astronautas al espacio y al Estación Espacial Internacional.
Al igual que muchos otros investigadores, somos cautelosamente optimistas. Nuevos resultados experimentales y teóricos, nuevas herramientas y la inversión del sector privado se suman a nuestra creciente sensación de que desarrollar energía de fusión práctica ya no es una cuestión de si, sino de cuándo.
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