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Artículo publicado por David L. Chandler el 10 de agosto de 2015 en MIT News

Un nuevo diseño podría por fin ayudar a hacer realidad la fuente de energía buscada desde hace tanto tiempo.

Hay una vieja broma que muchos científicos que trabajan en la fusión nuclear están hartos de escuchar: las plantas prácticas de fusión nuclear están a 30 años de ser una realidad, y siempre lo estarán.

Pero ahora, por fin, la broma puede que deje de ser cierta: los avances en la tecnología de imanes han permitido a los investigadores del MIT proponer un nuevo diseño para un reactor de fusión de tipo tokamak compacto de uso práctico, y es uno que podría ser una realidad en apenas una década, señalan. La era de la energía de fusión, que podría ofrecer una fuente de energía casi inagotable, puede estar acercándose.

Usar estos nuevos superconductores comercialmente disponibles, cintas superconductoras de óxido de cobre, bario y tierras raras (REBCO), para producir bobinas de potentes campos magnéticos “es lo que permea todo el diseño”, dice Dennis Whyte, profesor de ciencia e ingeniería nuclear y director del Centro de Fusión y Ciencias de Plamas. “Esto lo cambia todo”.

Diseño del reactor de fusión ARC

Diseño del reactor de fusión ARC Crédito: Equipo ARC del MIT

Estos campos magnéticos más potentes hacen posible producir el confinamiento magnético requerido para un plasma súpercaliente, es decir, el material con el que se trabaja en una reacción de fusión, pero en un dispositivo mucho menor de los que se habían imaginado previamente. La reducción de tamaño, a su vez, hace que todo el sistema sea más barato y rápido de construir, y también permite algunas nuevas e ingeniosas características en el diseño de la planta de energía. El reactor propuesto, usando una geometría tokamak (en forma de toro, o rosquilla) que está ampliamente estudiada, se describe en un artículo de la revista Fusion Engineering and Design, siendo coautores de Whyte el candidato a doctorado Brandon Sorbom, y otros 11 miembros del MIT. El artículo arrancó como una clase de diseño impartida por Whyte, y para el final de la clase era un proyecto liderado por estudiantes.

Prototipo de planta de energía

El nuevo reactor está diseñado para la investigación básica en fusión, y también como prototipo potencial de planta de energía que pudiese producir una cantidad significativa de electricidad. La idea básica del reactor y sus elementos asociados se basan en los principios demostrados y comprobados a lo largo de décadas de desarrollo e investigación en el MIT y en todo el mundo, señala el equipo.

“El campo magnético más potente”, apunta Sorbom, “nos permite lograr un rendimiento mucho mayor”.

La fusión, la reacción nuclear que alimenta al Sol, implica fusionar pares de átomos de hidrógeno entre sí para formar helio, junto con una enorme liberación de energía. La parte difícil ha sido confinar el plasma súpercaliente, una forma de gas cargado eléctricamente, que se calienta a temperaturas más altas que el núcleo de las estrellas. Aquí es donde se hacen tan importantes los campos magnéticos, atrapando de forma efectiva el calor y las partículas en el centro del dispositivo.

Aunque la mayor parte de características de un sistema tienden a variar en proporción a los cambios en dimensiones, el efecto de los cambios en el campo magnético de las reacciones de fusión en mucho más extremo: la energía de fusión que se puede lograr aumenta en relación a la cuarta potencia del incremento en el campo magnético. De este modo, duplicando el campo se generaría un aumento en la energía de fusión de 16 veces. “Cualquier incremento en el campo magnético es una gran victoria”, comenta Sorbom.

Un aumento de 10 veces en la energía

Aunque los nuevos superconductores no producen un aumento del doble en la fuerza del campo magnético, son lo bastante potentes como para aumentar la energía de fusión, aproximadamente, en un factor de 10 en comparación con la tecnología superconductora estándar, señala Sorbom. Este drástico aumento lleva a una cascada de mejoras potenciales en el diseño del reactor.

El reactor de fusión planificado más potente del mundo, un enorme dispositivo conocido como ITER que se encuentra en construcción en Francia, se espera que cueste alrededor de 40 000 millones de dólares. Sorbom y el equipo del MIT estiman que el nuevo diseño, con la mitad del diámetro del ITER (que se diseñó antes de que los nuevos superconductores estuviesen disponibles), produciría aproximadamente la misma energía con una fracción de su coste, y en un tiempo de construcción menor.

Pero, pese a la diferencia en tamaño y fuerza del campo magnético, el reactor propuesto, conocido como ARC, se basa “exactamente en la misma física” del ITER, comenta Whyte. “No estamos extrapolando hacia un régimen completamente nuevo”, añade.

Otro avance clave en el nuevo diseño es un método para sacar el núcleo de la energía de fusión del reactor en forma de rosquilla sin tener que desmantelar todo el dispositivo. Esto hace que sea especialmente adecuado para la investigación, con objeto de mejorar aún más el sistema usando diferentes materiales o diseños para afinar el rendimiento.

Además, como en el ITER, los nuevos imanes superconductores permitirían al reactor funcionar de una forma sostenida, produciendo una emisión estable de energía, al contrario de lo que sucede con los reactores experimentales actuales, que sólo pueden funcionar durante unos segundos sin sobrecalentar las bobinas de cobre.

Protección líquida

Otra ventaja clave es que la mayor parte del material cobertor sólido usado para rodear la cámara de fusión en dichos reactores, se ve reemplazado por un material líquido que puede circular y ser cambiado fácilmente, eliminando la necesidad de los costosos procedimientos de sustitución conforme los materiales se degradan con el tiempo.

“Es un entorno extremadamente hostil para los materiales [sólidos]”, dice Whyte, por lo que reemplazarlos con un líquido puede ser una gran ventaja.

Actualmente, tal como está diseñado, el reactor debería ser capaz de producir unas tres veces la electricidad necesaria para tenerlo funcionando, pero el diseño probablemente podría mejorarse para aumentar dicha proporción a 5 ó 6 veces, señala Sorbom. Por el momento, ningún reactor de fusión ha producido tanta energía como la que consume, por lo que este tipo de producción neta de energía sería un gran avance en la tecnología de fusión, apunta el equipo.

El diseño podría generar un reactor que proporcionase electricidad a unas 100 mil personas, comentan. Se han construido dispositivos de complejidad y tamaño similar en los últimos cinco años, explican.

“La energía de fusión, ciertamente, será la fuente de electricidad más importante en la Tierra para el siglo XXII, pero la necesitamos mucho antes para evitar el catastrófico calentamiento global”, expone David Kingham, CEO de Tokamak Energy Ltd. en el Reino Unido, que no estuvo vinculado a esta investigación. “Este artículo demuestra una buena forma de hacer avances rápidos”, señala.

Sobre la investigación del MIT, comenta Kingham que: “demuestra que ir hacia campos magnéticos más potentes, una especialidad del MIT, puede llevar a dispositivos mucho menores (y, por tanto, más baratos y rápidos de construir”. El trabajo es de una “calidad excepcional”, señala; “el siguiente paso… sería refinar el diseño y trabajar más los detalles de ingeniería, pero el trabajo ya debería captar la atención de legisladores, filántropos e inversores privados”.

La investigación estuvo patrocinada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, y la Fundacion Nacional de Ciencia.

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