Es un chiste viejo que muchos científicos de la fusión ya están cansados de oír: las centrales de energía de fusión nuclear práctica están a solo 30 años de distancia, y siempre lo estarán.
Pero ahora, por fin, el chiste quizá deje de ser cierto: los avances en la tecnología de imanes han permitido a investigadores del MIT proponer un nuevo diseño de reactor de fusión tokamak compacto y práctico, que, según afirman, podría hacerse realidad en tan solo una década. La era de la energía de fusión práctica, que podría ofrecer un recurso energético casi inagotable, puede estar cerca.
Gracias al uso de estos nuevos superconductores disponibles comercialmente —cintas superconductoras de óxido de bario, cobre y tierras raras (REBCO)— para producir bobinas de alto campo magnético, “simplemente repercute en todo el diseño”, afirma Dennis Whyte, profesor de Ciencia e Ingeniería Nuclear y director del Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT. “Lo cambia todo”.
El campo magnético más intenso permite producir el confinamiento magnético necesario del plasma ultracaliente —es decir, el material de trabajo de una reacción de fusión—, pero en un dispositivo mucho más pequeño que los previstos anteriormente. La reducción de tamaño, a su vez, hace que todo el sistema sea menos costoso y más rápido de construir, y además permite incorporar algunas ingeniosas características nuevas en el diseño de la central eléctrica. El reactor propuesto, que utiliza una geometría tokamak (en forma de rosquilla) ampliamente estudiada, se describe en un artículo de la revista Fusion Engineering and Design, escrito en coautoría por Whyte, el candidato a doctorado Brandon Sorbom y otros 11 investigadores del MIT. El artículo surgió como un proyecto de una clase de diseño impartida por Whyte y se convirtió en un proyecto dirigido por estudiantes una vez terminada la clase.
Prototipo de central eléctrica
El nuevo reactor está diseñado para la investigación básica sobre la fusión y también como posible prototipo de central eléctrica capaz de producir una potencia significativa. El concepto básico del reactor y sus elementos asociados se basan en principios bien probados y consolidados, desarrollados durante décadas de investigación en el MIT y en todo el mundo, según afirma el equipo.
“El campo magnético mucho más alto”, afirma Sorbom, “permite alcanzar un rendimiento mucho mayor”.
La fusión, la reacción nuclear que alimenta el Sol, consiste en unir pares de átomos de hidrógeno para formar helio, con enormes liberaciones de energía. La parte difícil ha sido confinar el plasma ultracaliente —una forma de gas con carga eléctrica— mientras se calienta a temperaturas superiores a las de los núcleos de las estrellas. Aquí es donde los campos magnéticos resultan tan importantes: atrapan de forma efectiva el calor y las partículas en el centro caliente del dispositivo.
Mientras que la mayoría de las características de un sistema tienden a variar en proporción a los cambios en sus dimensiones, el efecto de los cambios en el campo magnético sobre las reacciones de fusión es mucho más extremo: la potencia de fusión alcanzable aumenta según la cuarta potencia del incremento del campo magnético. Así, duplicar el campo produciría un aumento de 16 veces en la potencia de fusión. “Cualquier aumento del campo magnético supone una enorme ganancia”, afirma Sorbom.
Un aumento de diez veces en la potencia
Aunque los nuevos superconductores no logran duplicar la intensidad del campo, son lo bastante potentes como para aumentar la potencia de fusión unas 10 veces en comparación con la tecnología superconductora estándar, afirma Sorbom. Esta mejora espectacular desencadena una cascada de posibles mejoras en el diseño del reactor.
El reactor de fusión planificado más potente del mundo, un enorme dispositivo llamado ITER que se construye en Francia, tiene un coste previsto de unos 40.000 millones de dólares. Sorbom y el equipo del MIT calculan que el nuevo diseño, de aproximadamente la mitad del diámetro de ITER (que se diseñó antes de que estuvieran disponibles los nuevos superconductores), produciría aproximadamente la misma potencia a una fracción del coste y en un tiempo de construcción más corto.
Pero, a pesar de la diferencia de tamaño y de intensidad del campo magnético, el reactor propuesto, denominado ARC, se basa en “exactamente la misma física” que ITER, afirma Whyte. “No estamos extrapolando a un régimen completamente nuevo”, añade.
Otro avance clave del nuevo diseño es un método para extraer el núcleo de generación de energía de fusión de la cámara en forma de rosquilla sin tener que desmantelar todo el dispositivo. Eso lo hace especialmente adecuado para la investigación orientada a seguir mejorando el sistema mediante el uso de materiales o diseños diferentes que ajusten el rendimiento.
Además, al igual que ITER, los nuevos imanes superconductores permitirían que el reactor funcione de forma sostenida, con una producción de energía estable, a diferencia de los reactores experimentales actuales, que solo pueden funcionar unos pocos segundos cada vez sin que se sobrecalienten las bobinas de cobre.
Protección líquida
Otra ventaja clave es que la mayoría de los materiales sólidos del manto que rodean la cámara de fusión en estos reactores se sustituyen por un material líquido que puede hacerse circular y reemplazarse con facilidad, lo que elimina la necesidad de costosos procedimientos de sustitución a medida que los materiales se degradan con el tiempo.
“Es un entorno extremadamente hostil para los materiales [sólidos]”, afirma Whyte, por lo que sustituir esos materiales por un líquido podría suponer una ventaja importante.
Por ahora, tal como está diseñado, el reactor debería ser capaz de producir unas tres veces la electricidad necesaria para mantenerse en funcionamiento, aunque el diseño probablemente podría mejorarse para elevar esa proporción a unas cinco o seis veces, afirma Sorbom. Hasta ahora, ningún reactor de fusión ha producido tanta energía como consume, por lo que este tipo de producción neta de energía supondría un gran avance en la tecnología de fusión, afirma el equipo.
El diseño podría dar lugar a un reactor que proporcionaría electricidad a unas 100.000 personas, afirman. Según afirman, en unos cinco años se han construido dispositivos de complejidad y tamaño similares.
“La energía de fusión será con toda seguridad la fuente de electricidad más importante de la Tierra en el siglo XXII, pero la necesitamos mucho antes para evitar un calentamiento global catastrófico”, afirma David Kingham, director ejecutivo de Tokamak Energy Ltd., en el Reino Unido, que no participó en esta investigación. “Este artículo muestra una buena vía para avanzar más rápido”, afirma.
La investigación del MIT, según Kingham, “muestra que avanzar hacia campos magnéticos más intensos, una especialidad del MIT, puede dar lugar a dispositivos mucho más pequeños (y, por tanto, más baratos y más rápidos de construir)”. El trabajo es de “calidad excepcional”, afirma; “el siguiente paso … sería refinar el diseño y resolver más detalles de ingeniería, pero el trabajo ya debería atraer la atención de los responsables políticos, filántropos e inversores privados”.
La investigación contó con el apoyo del Departamento de Energía de los Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica el respaldo del Foro Económico Mundial a las opiniones expresadas.
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Autor: David L. Chandler escribe para MIT News.
Imagen: Se ven válvulas en el interior de la unidad seis, desmantelada, de la central nuclear de Greifswald, a las afueras de la localidad nororiental de Lubmin, el 5 de agosto de 2014. REUTERS/Thomas Peter.
