Un nuevo paso de gigante hacia la energía de fusión nuclear

Un nuevo imán superconductor diseñado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts -MIT- rompe récords de intensidad de campo magnético, allanando el camino para la obtención de energía barata y libre de carbono a partir de la fusión nuclear

El imán de fusión más potente del mundo

El imán de fusión más potente del mundo

Foto: Foto: Gretchen Ertl, CFS/MIT-PSFC

Tras 3 años de fabricación basados en un intenso trabajo investigación y diseño, el 5 de septiembre de 2021 científicos del MIT y la empresa emergente Commonwealth Fusion Systems -CFS- lograban dar a luz a un gran electroimán superconductor de alta temperatura con una intensidad de campo magnético de 20 teslas: el campo magnético más poderoso de este tipo jamás creado en la Tierra. El hallazgo supone la resolución de uno de los mayores obstáculos en el camino hacia la construcción de la primera planta de energía de fusión del mundo capaz de producir más energía de la que consume: un avance indispensable para la creación de una nueva generación de centrales eléctricas prácticas, económicas y libres de carbono que podrían contribuir de manera fundamental a limitar los efectos del cambio climático global.

"La fusión es en muchos sentidos la fuente de energía limpia definitiva", explicaMaria Zuber, Vicepresidenta de Investigación y profesora de geofísica en el MIT. "La cantidad de energía disponible es realmente revolucionaria", continúa. "El combustible empleado en la energía de fusión procede del agua y la Tierra está llena de agua. Es un recurso casi ilimitado, solo tenemos que descubrir cómo utilizarlo", añade.

"La fusión es en muchos sentidos la fuente de energía limpia definitiva"

El desarrollo de este nuevo imán estaba considerado el mayor obstáculo para el despegue de esta tecnología, por lo que la exitosa operación abre la puerta a la demostración de la fusión nuclear controlada en un laboratorio en la Tierra, algo que se ha llevado a cabo durante décadas con marcadas limitaciones. Con esta tecnología de imanes ahora desarrollada con éxito, el proyecto conjunto del MIT y CFS se encamina por tanto a la construcción del primer dispositivo de fusión del mundo capaz de crear y confinar un plasma que produce más energía de la que consume, y que bautizado como SPARC, su finalización está programada para el año 2025.

El equipo de SPARC trabajando en el super imán

El equipo de SPARC trabajando en el super imán

Foto: Gretchen Ertl, CFS/MIT-PSFC

“Los desafíos de lograr la fusión son tanto técnicos como científicos”, relata Dennis Whyte, director del Plasma Science and Fusion Center del MIT -PSFC-, y quien se encuentra trabajando con CFS para desarrollar SPARC. "Pero una vez que se pruebe la tecnología" dice, “será una fuente de energía inagotable y libre de carbono que se puede implementar en cualquier lugar y en cualquier momento. Realmente se trata una fuente de energía fundamentalmente nueva ". Whyte, quien también es ingeniero en la filial americana de la compañía japonesa Hitachi, resalta además que la demostración de esta semana representa un hito importante, al abordar las preguntas más importantes que quedan sobre la viabilidad del diseño SPARC. "Es realmente un momento decisivo, pienso, tanto para la ciencia como para la tecnología de fusión nuclear".

El sol en una botella

La fusión nuclear es el proceso que impulsa al sol. Se basa en la fusión de dos átomos pequeños para formar uno más grande, reacción en cuyo transcurso se liberan cantidades prodigiosas de energía. Sin embargo, se trata de un proceso en el que se obtienen temperaturas muy superiores a las que podría soportar cualquier material sólido conocido, motivo por el cual se hace necesario capturar y contener un material susceptible de alcanzar temperaturas de 100.000.000 ºC. El modo de lograr esto es suspendiendo dicho material de forma que se que evite que entre en contacto con algo sólido.

"El combustible empleado en la energía de fusión procede del agua y la Tierra está llena de agua. Es un recurso casi ilimitado, solo tenemos que descubrir cómo utilizarlo"

Eso se consigue a través de intensos campos magnéticos que forman una especie de botella invisible para contener la sopa caliente de protones y electrones a la que nos referimos como plasma. Debido a que las partículas tienen una carga eléctrica, pueden verse fácilmente sometidas por los campos magnéticos, y la configuración más utilizada para contenerlas es un dispositivo en forma de rosquilla llamado tokamak. La mayoría de estos dispositivos han producido sus campos magnéticos utilizando electroimanes convencionales fabricados en cobre, aunque ya la última y más grande versión en construcción de este tipo de dispositivos, el llamado Proyecto ITER, desarrollado en Francia, utiliza lo que se conoce como superconductores de baja temperatura.

El largo camino del ITER

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La principal innovación en el diseño de fusión del MIT-CFS es el uso de superconductores de alta temperatura, los cuales permiten generar un campo magnético mucho más potente y en un espacio más pequeño. Este diseño fue posible gracias a un nuevo tipo de material superconductor disponible comercialmente desde hace unos años. La idea surgió inicialmente como un proyecto universitario en la clase de ingeniería nuclear impartida por Whyte. El concepto parecía tan prometedor que continuó desarrollándose durante el curso académico, lo que llevó al diseño de la planta de energía ARC a principios de 2015. SPARC, diseñado para tener aproximadamente la mitad del tamaño de ARC, es un banco de pruebas para demostrar el concepto antes de la construcción de la planta de producción de energía de tamaño completo.

"Una vez que se pruebe la tecnología, será una fuente de energía inagotable y libre de carbono que se puede implementar en cualquier lugar y en cualquier momento"

Hasta ahora, la única forma de lograr los campos magnéticos colosalmente poderosos necesarios para crear una "botella" magnética capaz de contener plasma calentado hasta cientos de millones de grados era hacerlos cada vez más grandes. Sin embargo con el nuevo material superconductor de alta temperatura, fabricado en forma de cinta plana permite lograr un campo magnético mayor en un dispositivo más pequeño, igualando el rendimiento que se lograría en un aparato 40 veces más grande en volumen utilizando imanes superconductores convencionales de baja temperatura. Ese salto en potencia versus tamaño es el elemento clave en el diseño revolucionario de ARC.

Carrete de cinta superconductora de alta temperatura utilizado en la nueva clase de imán de fusión.

Carrete de cinta superconductora de alta temperatura utilizado en la nueva clase de imán de fusión.

Foto: Gretchen Ertl, CFS/MIT-PSFC

Según explican los investigadores del MIT, ya una serie de artículos científicos publicados el año pasado describieron la base física y mediante simulación, que confirmaba la viabilidad del nuevo dispositivo de fusión. Los artículos mostraron que, si los imanes funcionaban como se esperaba, todo el sistema de fusión debería producir una potencia neta positiva. Todo ello por primera vez en décadas de investigación sobre la fusión.

Martin Greenwald, subdirector e investigador senior en el PSFC, cuenta que, a diferencia de otros diseños para experimentos de fusión, “nos basamos en la física de plasma convencional y los diseños ya conocidos de tokamak, pero aplicando una nueva tecnología de imanes. Por lo tanto, no necesitábamos de la innovación en media docena de áreas diferentes. Simplemente innovaríamos en el imán y luego aplicaríamos lo aprendido en las últimas décadas". Es esa combinación de principios científicamente establecidos y una fuerza de campo magnético más grande, la que cambia las reglas del juego y hace posible diseñar una planta económicamente viable y que podría ser desarrollada rápidamente. "Es un gran momento", añade Bob Mumgaard, director ejecutivo de CFS. “Ahora tenemos una plataforma científicamente muy avanzada debido a las décadas de investigación en estas máquinas, y también comercialmente muy interesante, lo que no permite construir dispositivos más rápido, más pequeños y a menor coste".

“Nos basamos en la física de plasma convencional y los diseños ya conocidos de tokamak, pero aplicando una nueva tecnología de imanes".

"Hace tres años anunciamos un plan para construir un imán de 20 teslas, que es lo que necesitaremos para las futuras máquinas de fusión", añade Mumgaard. Ese objetivo ahora se ha logrado, según lo programado, incluso con la pandemia. El siguiente paso será construir SPARC, una versión a menor escala de la planta de energía ARC. El éxito de SPARC demostrará que una planta de energía de fusión comercial a gran escala es posible y práctica, despejando el camino para un modelo rápido y la construcción de un dispositivo pionero que luego pueda avanzar a toda velocidad.

Representación de SPARC, un tokamak compacto de alto campo, actualmente en proceso de diseño

Representación de SPARC, un tokamak compacto de alto campo, actualmente en proceso de diseño

Foto: Foto: T. Henderson, CFS/MIT-PSFC

Zuber expresa por su parte que ahora es genuinamente optimista en tanto a que SPARC pueda lograr energía neta positiva basada en el desempeño demostrado de estos imanes. El siguiente paso es escalar y construir una planta de energía real, aunque todavía quedan muchos desafíos por delante, como el desarrollo de un dispositivo fiable y que pueda proporcionar energía de manera sostenida en el tiempo, o el de la comercialización de esta energía, otro gran reto será económico. "¿Cómo diseñar estas plantas de energía para que sea rentable construirlas e implementarlas?", plantea la investigadora. "Algún día, en un futuro esperado, cuando haya miles de plantas de fusión alimentando redes eléctricas limpias en todo el mundo, creo que vamos a mirar atrás y pensar en cómo llegamos allí. Creo que será este momento en que nos encontramos, en el que creamos estos imanes, el que recordaré como en momento en el que empecé a creer que era posible".

"La creación exitosa de un dispositivo de fusión que produzca energía limpia y barata sería un gran logro científico", apunta Zuber. Pero ese no es el punto principal: “Ninguno de nosotros está tratando de ganar trofeos en este momento", continúa. "Solo estamos tratando de mantener el planeta habitable", concluye.