El reactor de fusión europeo establece un récord de energía sostenida

El tokamak más grande del mundo allana el camino para ITER con una serie de pulsos de piedra angular utilizando tritio de producción de energía

En experimentos que culminaron la ejecución de 40 años del Joint European Torus (JET), el reactor de fusión más grande del mundo, los investigadores anunciaron hoy que han batido el récord de producción de energía de fusión controlada. El 21 de diciembre de 2021, JET, con sede en el Reino Unido, calentó un gas de isótopos de hidrógeno a 150 millones de grados centígrados y lo mantuvo estable durante 5 segundos mientras los núcleos se fusionaron, lanzando 59 megajulios (MJ) de energía—aproximadamente el doble de la energía cinética de un camión semi remolque completamente cargado que viaja a 160 kilómetros por hora. La energía en el pulso es más de 2.5 veces el récord anterior de 22 MJ, establecido por JET 25 años antes. «Ver disparos en los que mantiene una alta potencia durante 5 segundos completos es increíble», dice Steven Cowley, director del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL).

Sin embargo, el logro de JET no significa que la electricidad generada por fusión fluya a la red en el corto plazo. Los investigadores tuvieron que poner aproximadamente tres veces más energía en el gas que la reacción producida. Pero el resultado les da confianza en el diseño de ITER, un reactor de fusión gigante en construcción en Francia, que se supone que bombea al menos 10 veces más energía de la que se alimenta. «Estas son muy buenas noticias para ITER», dice Alberto Loarte, jefe de la división de ciencias de ITER. “Confirma firmemente nuestra estrategia.»

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La fusión se ha promovido durante mucho tiempo como una futura fuente de energía verde. Si la misma reacción nuclear que alimenta al Sol pudiera duplicarse en la Tierra, podría proporcionar abundante energía con pequeñas cantidades de desechos nucleares y sin gases de efecto invernadero. Pero producir energía neta ha resultado difícil de alcanzar. En agosto de 2021, investigadores de la Instalación Nacional de Encendido, que desencadena la fusión al calentar y triturar pequeños gránulos de combustible con 192 rayos láser convergentes, informaron que habían alcanzado el 71% de esta marca de equilibrio, más cerca que nadie, pero solo por un instante.

JET e ITER representan un enfoque diferente, más adecuado para la producción sostenida de energía. Ambos son tokamaks: recipientes en forma de rosquilla envueltos en una rejilla de imanes potentes que sostienen el gas ionizado supercaliente, o plasma, en su lugar y evitan que toque y derrita las paredes del vaso. Los investigadores en la década de 1980 creían que JET y una máquina rival en PPPL (ahora desmantelada) alcanzarían rápidamente el punto de equilibrio. JET se acercó en 1997, generando una explosión corta de 1.5 segundos que alcanzó dos tercios de la potencia de entrada.

Pero el lento progreso impulsó a los investigadores en la década de 1990 a diseñar ITER, un tokamak gigante de 20 metros de ancho que contiene 10 veces más plasma que JET. Un mayor volumen de plasma, predijeron los modelos, mantendría las condiciones de fusión por más tiempo al dificultar el escape del calor. Los $ 25 mil millones ITER, financiado por China, la Unión Europea, India, Japón, Corea del Sur, Rusia, y los Estados Unidos, comenzará a funcionar en 2025, pero no producirá grandes cantidades de energía hasta 2035, cuando se espera que comience a quemar los isótopos deuterio y tritio que producen energía (D-T).

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La operación temprana de JET enseñó a los diseñadores de ITER una lección clave. JET estaba forrado con carbono porque resiste la fusión. Pero resultó «absorber combustible como una esponja», dice Fernanda Rimini, experta en operaciones de plasma de JET. Entonces, los diseñadores de ITER optaron por usar los metales berilio y tungsteno.

Sin embargo, nadie sabía cómo funcionarían, y JET proporcionó un banco de pruebas. A partir de 2006, los ingenieros actualizaron sus imanes, sistema de calentamiento por plasma y pared interna para que sea lo más parecido a ITER posible. Cuando se reinició en 2011, los letreros no eran buenos, dice Cowley, quien era entonces director del Centro Culham para Fusion Energy, que dirige JET en nombre de la agencia EuroFusion de la Unión Europea. «No pudimos entrar en los mismos regímenes [de alta potencia].»

Con mucho gusto, el equipo de JET resolvió lo que estaba sucediendo. Descubrieron que los iones de plasma de alta energía estaban arrancando iones de tungsteno de la pared, lo que les hacía irradiar energía y desangrar el calor del plasma. Durante muchos años, el equipo elaboró una estrategia de afrontamiento. Al inyectar una capa delgada de gas, como nitrógeno, neón o argón, cerca de la pared del recipiente, podrían enfriar el borde más externo del plasma y evitar que los iones golpeen el tungsteno. «Poco a poco recuperamos el rendimiento», dice Cowley.

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En septiembre de 2021, los investigadores de JET se dispusieron a ver qué podía hacer su máquina rediseñada. Eso significaba cambiar de combustible a D-T. La mayoría de los reactores de fusión funcionan con hidrógeno ordinario o deuterio, lo que les permite explorar el comportamiento de los plasmas y evitar las complicaciones del tritio, que es a la vez radiactivo y escaso. Pero el personal de JET estaba ansioso por probar su máquina en condiciones reales de producción de energía. Primero, tuvieron que revivir las instalaciones de manejo de tritio del reactor, no utilizadas durante 2 décadas, que extraen iones de tritio y deuterio sin quemar del gas residual después de cada disparo y los reciclan.

Los éxitos recientes prepararon el escenario para ITER y muestran que la apuesta de sus diseñadores en una pared de metal completo debería dar sus frutos. «Esto confirma que tomamos el nivel correcto de riesgo», dice Loarte. Pero para JET, la ejecución de D-T es una especie de canción de cisne. Joe Milnes, jefe de operaciones de JET, dice que el reactor tendrá una carrera experimental más, desde mediados de 2022 hasta finales de 2023, antes del cierre. «Ha sido el experimento de fusión más exitoso de la historia», dice, pero es hora de «entregarle el bastón a ITER»

FUENTE

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En este contexto, te invitamos a ver un video que explora en detalle cómo el reactor de fusión europeo ha logrado establecer un récord de energía sostenida y su impacto en el futuro de la energía.

 

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