• Hanns-J. Neubert

Energía infinita.

Fusion w7x island chain

Tecnología. La fusión nuclear podría ser la forma de resolver todos los problemas energéticos de la humanidad de una manera respetuosa con el medio ambiente y el clima para siempre. Los científicos e ingenieros han estado investigando la tecnología durante más de 70 años. Recientemente han hecho enormes progresos.

Prometeo una vez robó el fuego del carro solar de Helios y lo llevó a la gente. Hoy en día, la gente se envía a sí misma para utilizar una fuente infinita de energía, modelada a partir del sol.

La llamada fusión nuclear ha tenido lugar dentro del sol durante 4.600 millones de años. Cuando los núcleos de los átomos de hidrógeno, llamados protones, se fusionan en un proceso continuo, es decir, se fusionan, se libera una enorme cantidad de energía. Lo que queda es el helio que lleva el nombre del dios sol, un gas totalmente neutro e inocuo para el clima, que no se combina con ningún otro elemento. El hidrógeno de combustible tiene otra ventaja. No tiene rival en precio porque está disponible en abundancia como componente del agua. Una vez que se haya construido la central eléctrica, sólo unos pocos kilogramos de hidrógeno bastarán para abastecer de electricidad a ciudades enteras durante meses. Para que tal fusión tenga lugar, los núcleos atómicos deben primero liberarse de los electrones que los rodean. En el sol, esto ocurre bajo alta presión y a temperaturas de alrededor de 15 millones de grados. Dado que la tierra no está sometida a una presión tan alta, se requieren temperaturas diez veces más altas, de 100 a 150 millones de grados centígrados.

A medida que la temperatura aumenta, se forma un plasma, un gas eléctricamente conductor en el que los protones cargados positivamente y los electrones cargados negativamente se atraviesan entre sí. A medida que la temperatura continúa aumentando, las partículas se vuelven cada vez más rápidas hasta que finalmente alcanzan un punto en el que tienen suficiente energía para superar la repulsión mutua y fusionarse. Ahora se libera un múltiplo de la energía utilizada.

Sin embargo, si sólo restos de sustancias extrañas, como el polvo de las paredes del reactor, entran en el plasma, éste se colapsa inmediatamente. Ya no se produce una fusión. Por un lado, esto es positivo porque una central eléctrica de fusión nunca podría explotar o perder el control. Simplemente dejaría de producir energía en caso de un mal funcionamiento. Por otro lado, hace que el proceso sea muy complicado. Después de todo, el plasma no debe entrar en contacto con las paredes de un reactor.

Evitar esto es probablemente una de las tareas más difíciles que los físicos e ingenieros quieren resolver. Para que la fusión nuclear genere energía de forma permanente, el plasma también debe mantenerse en equilibrio de forma permanente. Durante mucho tiempo, la fusión fue, por lo tanto, un campo de juego para los investigadores puramente básicos. Hoy en día, se está intentando mantenerlo en un estado de suspensión con la ayuda de campos magnéticos enormemente fuertes.

A veces esto funciona tan bien que ahora hay una carrera mundial para averiguar quién tendrá éxito primero en una fusión permanente fiable y qué concepto de reactor sería el más adecuado para ello.

En Alemania, los investigadores están trabajando incluso en dos tipos de reactores, un llamado tokamak llamado "ASDEX Upgrade" en Garching cerca de Munich y un tipo de estelarizador llamado "Wendelstein 7-X" en Greifswald. Ambos son operados por el Instituto Max Planck de Física del Plasma IPP.

Fusion Wendenstein

El primer estelarizador fue desarrollado en 1951 en Princeton bajo un gran secreto. Su recipiente de plasma parece un tubo de bicicleta torcido y desordenado con bobinas magnéticas curiosamente retorcidas. La gran ventaja de esta arquitectura rudimentaria es que un reactor de este tipo puede funcionar de forma continua. El técnicamente avanzado Tokamak, por otro lado, sólo puede generar su energía con pulsos interrumpidos.

Wendelstein 7-X es el más grande de los 13 estelares del mundo. En él, los investigadores están alcanzando actualmente una temperatura plasmática de 40 millones de grados. Esto no sería suficiente para una fusión en una central eléctrica posterior. Por lo tanto, Wendelstein 7-X está siendo reconstruido. "En el futuro, los lugares donde el plasma toca la pared del recipiente de plasma estarán protegidos por baldosas de grafito refrigeradas por agua", explica Isabella Milch, portavoz de prensa de IPP. "Esto permite alcanzar temperaturas más altas y, sobre todo, descargas de plasma mucho más largas." Está previsto que los primeros ensayos comiencen dentro de dos años.

La solución técnicamente más sencilla es el reactor Tokamak. Con unas 30 plantas piloto en todo el mundo, este tipo es también el más extendido. Fue desarrollado en el Instituto Kurtschatow de Moscú en 1952, también en secreto. En él, el plasma flota en un toro entre fuertes imanes, generalmente dispuestos en un círculo en forma de D.

Hoy en día, la actualización de Tokamak ASDEX en Garching se utiliza principalmente para buscar los mejores modos de funcionamiento para el plasma. ASDEX Upgrade es la única máquina en el mundo cuya carcasa de plasma está completamente revestida de tungsteno por dentro. Los investigadores ahora pueden investigar si el tungsteno interfiere con el plasma. Este es también un tema para la investigación de materiales. "Por ejemplo, IPP ha desarrollado compuestos de placas sólidas de tungsteno y fibras de tungsteno", explica Milch.

El tungsteno es el metal con el punto de fusión más alto y, por lo tanto, el candidato ideal para el revestimiento interior de las vasijas de los reactores. "Pero también es bastante frágil originalmente. El refuerzo de fibra hace que el material sea más flexible y resistente a la rotura".

El mayor Tokamak del mundo es el ITER. Se construye en Cadarache, en el sur de Francia, desde 2013. Si todo va bien, hacia 2025 generará por primera vez una fusión que, a 500 megavatios durante media hora, generará diez veces más energía de la que se necesita para calentar el plasma. Sólo cuatro gramos de hidrógeno serían suficientes para esto - un salto cuántico.

El ITER es un enorme esfuerzo técnico de siete naciones. Aquí, investigadores e ingenieros, estudiantes y postdoctorados de la India, Japón y Corea trabajan en estrecha colaboración con colegas de China, Rusia, Estados Unidos y Europa. Además, otros 35 países están contribuyendo al éxito con expertos y entregas de componentes. Después de todo, el 60 por ciento de los trabajos de construcción necesarios ya han sido completados.

Los países miembros no pagan dinero directamente, sino que proporcionan prestaciones en especie o componentes. Organizar todo esto y controlar las normas muy estrictas requiere una estructura muy rígida y mucho tiempo. "Si el ITER tuviera que alcanzar su objetivo lo más rápido y barato posible, el proyecto se habría concebido de manera muy diferente. Probablemente estaríamos allí para entonces", explica la portavoz de prensa Sabina Griffith.

Pero el ITER va más allá de la construcción de una máquina que demuestre que la energía de fusión es factible a gran escala. "El otro objetivo de ITER es desarrollar una industria mundial de fusión nuclear. Debido a que todos los componentes se ensamblan simultáneamente en 35 países participantes, educamos a la industria, educamos a los ingenieros y promovemos a los jóvenes científicos".

De hecho, esta afirmación no es insignificante. Porque a pesar de todo el debate sobre los objetivos climáticos nacionales, el problema del calentamiento global sólo puede resolverse de forma permanente a escala global. A este respecto, el proyecto ITER apunta hacia el futuro, especialmente porque la cooperación intensiva y global de personas de diferentes culturas y conflictos políticos también puede ser la base de un mundo mejor y más pacífico.

Las numerosas instalaciones más pequeñas del Tokamak en todo el mundo están llevando a cabo una investigación detallada para el ITER. También en la actualización de ASDEX en Garching. "Estamos investigando escenarios de plasma a pequeña escala para ITER", dice Milch. "También estamos desarrollando un sistema especial de calentamiento de partículas neutras, sensores de calor y manómetros para ITER en IPP. Y también participamos en el desarrollo del sistema de control".

También en el sector privado, el intento de desarrollar una industria mundial de fusión nuclear ha tenido éxito. Muchas empresas privadas también participan ahora en la carrera por la fusión nuclear. Proclaman alcanzar su objetivo más rápidamente y poder construir reactores más compactos y baratos. Por ejemplo, la joven empresa de nueva creación Commonwealth Fusion Systems (CFS), una empresa derivada de la universidad de élite MIT, tiene la intención de probar un nuevo tipo de imán en un pequeño reactor que más tarde se utilizará para construir su propio reactor de fusión compacto y barato. El grupo de armamento Lockheed Martin también está investigando un modelo particularmente compacto. Sin embargo, los responsables de la mayoría de los proyectos privados son reacios a proporcionar información detallada sobre su tecnología. A menudo no queda claro cuál es su verdadero progreso y cuál de los anuncios se utiliza principalmente para atraer a los inversores.

Uno de los más distantes parece ser el astrofísico Michl Binderbauer, CEO de la empresa californiana TAE-Technologies. Mientras tanto, habla con mucho gusto y en detalle sobre el progreso de su reactor de nombre "Norman", que lleva el nombre de su supervisor doctoral Norman Rostoker, el rector del Spiritus detrás de TAE, que murió en 2014.

Fusion TAE

Lo especial del reactor TAE es que utiliza boro además del hidrógeno habitual para el plasma y la reacción de fusión posterior. Esta mezcla tiene la ventaja de que las paredes alrededor del plasma no se vuelven débilmente radioactivas con el tiempo como con el hidrógeno puro. El reactor en sí parece un gran tubo en forma de cigarro. En ambos extremos se generan plasmas que luego se disparan entre sí.

De esta manera, los núcleos atómicos alcanzan una fuerza de penetración particularmente alta en el proceso de fusión. "Los campos magnéticos necesarios para este plasma son, por tanto, más débiles, pero el plasma es aún más estable", explica Binderbauer. "Esto permite que el dispositivo sea más compacto, y más barato de fabricar y mantener."

Binderbauer es consciente de que la cooperación científica y técnica también es importante para su empresa. Como socio ganó las universidades de Princeton y California, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, sobre el que también existe una cooperación con el ITER, así como el renombrado Instituto Budger de Física Nuclear de Novosibirsk. Incluso Google está allí. Sus algoritmos proporcionan soluciones para el aprendizaje automático y la inteligencia artificial para evaluar la vasta colección de datos de las numerosas mediciones.

Los pasos de un plasma caliente a un plasma aún más caliente y finalmente a la fusión son laboriosos y tediosos porque el comportamiento del plasma flotante es tan difícil de calcular. La inteligencia artificial para seleccionar y evaluar los datos y los ordenadores cuánticos rápidos para modelos matemáticos de plasmas y fusión podría acelerar el desarrollo.

Hasta la fecha, los inversores han invertido alrededor de 600 millones de dólares en tecnología TAE. Está prevista una nueva ronda de financiación para el próximo otoño. "Sobre todo, también buscamos socios estratégicos", dice Michl Binderbauer, por ejemplo, fabricante de alta tecnología y desarrollador de superconductores, imanes, sensores y circuitos eléctricos. Pero también hay demanda de socios del sector de las centrales eléctricas o de las centrales eléctricas.

Esta cooperación podría permitir a los científicos alcanzar su objetivo más rápidamente de lo que se pensaba. "Norman debería alcanzar temperaturas de alrededor de 35 millones de grados este año durante 35 milisegundos", espera Binderbauer. "Si tenemos éxito, confiamos en que nuestro sucesor Copérnico nos llevará a 100 millones de grados." Las tecnologías TAE no estarían lejos de lograr una fusión generadora de energía en un plazo de diez años.

El ITER sigue siendo actualmente un reactor de investigación, pero el siguiente paso ya se está planificando. A continuación, una planta de demostración que, a partir de 2048, demostrará a pequeña escala industrial y en funcionamiento continuo que las centrales eléctricas de fusión son, en principio, adecuadas para suministrar energía a la humanidad.

Pueden pasar aún más años hasta que la electricidad de fusión salga de la toma de corriente en cantidades infinitas y de forma casi gratuita. Pero el sueño comienza a hacerse realidad poco a poco. ®

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Productos de desecho valiosos.

El gran problema para todos los participantes en el ITER en estos momentos es la superconductividad. Los conductores hechos de ciertos metales raros, pero también de aluminio o plomo, se convierten en superconductores a temperaturas por debajo de los 260 grados centígrados bajo cero. La corriente fluye a través de ellos sin resistencia y no se pierde.

En los reactores de investigación, estos superconductores son necesarios para generar los fuertes y constantes campos magnéticos con los bobinados de kilómetro de longitud de las bobinas magnéticas. También se están instalando electroimanes superconductores en dispositivos médicos como MRTs y CTs. Por último, pero no por ello menos importante, los superconductores podrían algún día sustituir a los largos cables de cobre transcontinentales, que hoy en día pierden mucha corriente debido a su resistencia eléctrica.

Actualmente se están llevando a cabo investigaciones para realizar la superconductividad incluso a temperaturas más altas con el fin de reducir la energía necesaria para el enfriamiento. En la actualidad, se utilizan aleaciones especiales en los experimentos para crear una línea de energía libre de resistencia a menos 135 grados centígrados.

El gas de protones en el plasma se calienta a muchos millones de grados según el principio de las microondas de cocina, pero a un rendimiento enormemente alto. Los calentadores llamados Gyrotron también mejoran la producción de materiales no metálicos de alta tecnología, como la cerámica de vidrio sinterizado de alta resistencia. Se utiliza, por ejemplo, para encimeras de cocina, conocidas como "Ceran".

Las placas de tungsteno desarrolladas en el Instituto Max Planck de Física del Plasma, reforzadas con fibras de tungsteno, son un nuevo material que todavía está buscando su aplicación fuera de la investigación de la fusión. Por ejemplo, podría utilizarse para otras piezas de máquinas sometidas a grandes esfuerzos térmicos, por ejemplo, en motores o en reacciones químicas.

TAE-Technologies también ha desarrollado un interesante subproducto, la spin-off TAE Life Sciences. Con la ayuda de su tecnología de hidrógeno a partir de la investigación de reactores, los médicos están probando el uso de la llamada terapia de captura de neutrones de boro BNCT para el tratamiento del cáncer.

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¿Puede la fusión nuclear salvar al mundo?

Según el consenso científico, el calentamiento global no debe aumentar más de dos grados para que la humanidad pueda gestionar las consecuencias a medio camino, aunque a un coste elevado. Para muchos ecosistemas, sin embargo, incluso eso será demasiado, como dice el Informe Especial del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) de octubre de 2018. Muchos de los procesos destructivos del sistema terrestre son ya inexorables, como el aumento del nivel del mar, que será imparable durante cientos de años.

La fusión nuclear, que pretende sustituir a todos los combustibles fósiles por sus emisiones de CO2, llegará demasiado tarde para detener el cambio climático.

Por esta razón, la humanidad debe seguir dependiendo de las energías renovables -solares y eólicas- como solución provisional. Y al hacerlo, probablemente aceptarán el consumo de recursos de varios metales y tierras raras, que se utilizan para células solares y molinos de viento y que a menudo se producen en condiciones inhumanas. A largo plazo, las energías renovables probablemente no podrán seguir el ritmo de la creciente demanda de la humanidad, como por ejemplo el enorme aumento del consumo de energía para las cadenas de bloques.

Pensada de forma consecuente hasta el final, hoy sólo la fusión nuclear tiene el potencial de convertirse en la energía del futuro para un mundo completamente nuevo en el que la gente se esfuerza por lograr un nuevo equilibrio con la naturaleza y el clima. Esto hace que sea aún más importante proporcionar muchos más recursos intelectuales y financieros para hacer avanzar esta tecnología.

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Autor: Hanns-J. Neubert

Fotos: IPP, Matthias Otte // IPP, Wolfgang Filser // IPP, Thomas Henningsen // TAE

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