Fusion Nuclear, El santo grial que ofrece resistencia.

Pocas son las tecnologías con el potencial de generar una cantidad de cambios sociales y economicos tan profundos y disruptivos como la tecnología de fusión nuclear, la energía que imita a funcionamiento interno de las estrellas.

La tecnología de fusión nuclear se ha descrito como un santo grial de la tecnología moderna que nos permitiría obtener energía casi ilimitada sin apenas emisiones de gases de efecto invernadero y sin radiación nociva de por medio. Lograr producir energia de fusion nuclear de forma rentable y sostenible seria una gran proeza cientifica y tecnologica ya que su producción no es sencilla y aun existen una cantidad enorme de desafios que deben sortearse. Pero ya que estamos en esto, ¿que es la fusión nuclear?

Explicando la fusión nuclear

La fusión nuclear es el proceso de combinar dos o más núcleos atómicos para formar un núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía en el proceso. Esta energía se libera porque la masa combinada del núcleo resultante es menor que la suma de los núcleos individuales, y la diferencia de masa se convierte en energía según la famosa ecuación de Einstein, E=mc^2.

Para lograr la fusión nuclear, los núcleos atómicos deben unirse con suficiente energía para vencer la fuerte repulsión eléctrica entre ellos. Esto requiere que los núcleos se calienten a temperaturas muy altas (decenas de millones de grados) y que se confinen mediante un campo magnético.

A estas altas temperaturas, los núcleos se ionizan y se despojan de sus electrones, creando un plasma de iones. Luego, los iones se someten a una variedad de fuerzas, incluida la fuerza de Coulomb, que es la fuerza electrostática que actúa entre las partículas cargadas, y la fuerza nuclear, que es la fuerza fuerte que actúa entre los protones y los neutrones en el núcleo.

En las condiciones adecuadas, la fuerza de Coulomb se puede superar y los iones se pueden acercar lo suficiente como para que la fuerza nuclear surta efecto. Cuando esto sucede, los protones y neutrones de los iones pueden reorganizarse para formar un núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía en el proceso.

Este proceso se conoce como fusión nuclear, y es el mismo proceso que alimenta el sol y otras estrellas. Un ejemplo de una reacción termonuclear es la fusión de dos átomos de hidrógeno para formar un átomo de helio. Esta reacción se puede escribir como:

En esta reacción, dos átomos de hidrógeno (protones) se combinan para formar un átomo de helio (que se compone de dos protones y dos neutrones). La energía que se libera en esta reacción suele ser en forma de calor y luz, y es esta energía la que alimenta al sol y otras estrellas.

La fusión nuclear es el proceso que alimenta el sol y otras estrellas, y es el mismo proceso que ocurre en una bomba de hidrógeno. Sin embargo, lograr reacciones de fusión nuclear sostenidas y controladas en la Tierra es un gran desafío técnico, y aún no está claro cuándo, o si, la fusión podrá aprovecharse como una fuente práctica de energía. Los científicos también han estado trabajando en formas de aprovechar la energía de la fusión nuclear como una fuente práctica de energía en la Tierra.

Para lograr la fusión nuclear en la Tierra, los científicos deben crear condiciones similares a las que se encuentran en el sol y otras estrellas. Esto implica crear un plasma, o un gas ionizado a alta temperatura, y confinarlo mediante un campo magnético. El plasma debe calentarse a temperaturas muy altas (decenas de millones de grados) y mantenerse a estas temperaturas durante un período sostenido de tiempo para lograr reacciones de fusión.

Lograr reacciones de fusión sostenidas y controladas es un gran desafío técnico, y aún no está claro cuándo, o si, la fusión podrá aprovecharse como una fuente práctica de energía. Sin embargo, si se puede lograr, la fusión tiene el potencial de ser una fuente de energía limpia y prácticamente ilimitada, ya que no produce gases de efecto invernadero nocivos ni desechos nucleares de larga duración.

Desafíos técnicos a vencer

Hay varios desafíos técnicos que deben superarse para lograr reacciones de fusión sostenidas y controladas que puedan generar electricidad en un reactor de fusión. Algunos de los principales temas en los que los investigadores están trabajando actualmente incluyen:

• Confinamiento de plasma: para lograr reacciones de fusión, se debe crear un plasma de isótopos de hidrógeno y calentarlo a temperaturas muy altas (decenas de millones de grados). Esto requiere el uso de un campo magnético para confinar el plasma y evitar que toque las paredes del reactor, ya que el plasma está demasiado caliente para ser contenido por cualquier material sólido. Confinar el plasma de manera estable y sostenida es un desafío importante, y los investigadores están trabajando en varios enfoques para mejorar el confinamiento del plasma, como el uso de configuraciones de campo magnético avanzadas y el desarrollo de nuevas técnicas de calentamiento de plasma.

• Balance de energía: en un reactor de fusión, la energía liberada por las reacciones de fusión debe ser mayor que la energía que se necesita para sostener las reacciones. Esto requiere que el plasma se caliente a temperaturas muy altas y que se mantenga a estas temperaturas durante un período prolongado de tiempo. Lograr el equilibrio energético necesario es un desafío importante, y los investigadores están trabajando en varios enfoques para aumentar el rendimiento energético de las reacciones de fusión, como el uso de técnicas avanzadas de calentamiento de plasma y el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías para el reactor de fusión. Este ha sido el mayor problema al que se enfrentaba esta tecnología aunque afortunadamente ha comenzado a superarse. En diciembre del 2022 el laboratorio Lawrence Livermore logro obtener la primera reacción Termonuclear en la que se produjo mas energía que la que se consume, pero solo por billonesimas de segundo por lo que aun faltan décadas para poder vencer este obstáculo.

• Materiales: Las altas temperaturas y el ambiente de intensa radiación de un reactor de fusión pueden ser extremadamente dañinos para los materiales que se utilizan en el reactor. Desarrollar materiales que puedan resistir las condiciones extremas de un reactor de fusión es un gran desafío, y los investigadores están trabajando en el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías que puedan soportar las condiciones extremas de un reactor de fusión.

• Costo: la energía de fusión tiene el potencial de ser una fuente de energía prácticamente ilimitada y limpia, pero lograr reacciones de fusión sostenidas y controladas sigue siendo un desafío técnico importante. El desarrollo de la energía de fusión también es costoso y aún no está claro si la energía de fusión puede ser económicamente competitiva con otras fuentes de energía.

• Seguridad: la energía de fusión tiene el potencial de ser una fuente de energía muy segura, ya que no produce gases de efecto invernadero ni desechos nucleares de larga duración. Sin embargo, los riesgos y peligros asociados con la energía de fusión deben comprenderse y mitigarse a fondo para garantizar la seguridad de los reactores de fusión.

Tecnologías Disponibles

Hay varios enfoques diferentes que se están siguiendo en el desarrollo de la fusión nuclear como fuente de energía. Algunos de los enfoques principales incluyen:

• Fusión por confinamiento magnético: este es el enfoque más común para la fusión nuclear e implica el uso de una serie de bobinas de campo magnético para confinar y calentar un plasma de isótopos de hidrógeno para lograr reacciones de fusión. Dos de los enfoques de fusión por confinamiento magnético más conocidos son el tokamak y el Stellarator, que utilizan diferentes configuraciones de bobinas de campo magnético para crear una región de confinamiento de plasma estable.

• Fusión por confinamiento inercial: este enfoque implica el uso de un láser de alta energía o un haz de partículas para implosionar una pequeña bolita de combustible de hidrógeno, creando un plasma lo suficientemente caliente y denso para lograr reacciones de fusión.

• Fusión por confinamiento acústico: este enfoque implica el uso de ondas de sonido de alta intensidad para comprimir y calentar un objetivo de combustible de hidrógeno, creando condiciones adecuadas para las reacciones de fusión.

Todos estos enfoques de la fusión nuclear aún se encuentran en la etapa experimental, y quedan importantes desafíos técnicos para lograr reacciones de fusión sostenidas y controladas que puedan generar electricidad. Todavía no está claro cuándo, o si, la fusión podrá aprovecharse como una fuente práctica de energía.

Tecnologías de confinamiento magnetico

Dos de los enfoques de fusión por confinamiento magnético más conocidos son los reactores tipo tokamak y el Stellarator, las explicaremos a continuacion

Tecnologia Tokamak

Un tokamak es un tipo de reactor de fusión experimental que utiliza un campo magnético para confinar y calentar un plasma de isótopos de hidrógeno con el fin de lograr la fusión nuclear. La palabra "tokamak" es un acrónimo que significa "cámara toroidal con bobinas magnéticas" ( acrónimo del rusoтороидальная камера с магнитными катушками -toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami).

El principio básico detrás de un tokamak es usar una serie de bobinas de campo magnético para crear una región de confinamiento de plasma en forma de toro (rosquilla). Dentro de esta región, se crea un plasma de isótopos de hidrógeno y se calienta a temperaturas muy altas, momento en el que los átomos de hidrógeno pueden fusionarse y liberar energía. Esta energía se puede aprovechar para generar electricidad.

El campo magnético en un tokamak se crea al pasar una corriente a través del plasma y las bobinas de campo. Las bobinas de campo están dispuestas en una configuración toroidal (en forma de rosquilla) alrededor del plasma, con el plasma ubicado en el centro del toro. El campo magnético se moldea para crear una región estable y confinada en la que se puede retener el plasma, y ​​el plasma se calienta inyectándole energía utilizando varios métodos, como ondas de radiofrecuencia (RF) o inyección de haz neutro.

El tokamak es un tipo de reactor de fusión experimental que se desarrolló en la Unión Soviética en la década de 1950. El concepto de usar un campo magnético para confinar un plasma con el fin de lograr la fusión nuclear fue propuesto por primera vez por el físico soviético Andrei Sakharov a fines de la década de 1940, y el primer tokamak experimental se construyó en el Instituto Kurchatov en Moscú a mediados de la década de 1950.

El tokamak se desarrolló como parte de un programa de investigación más amplio sobre fusión termonuclear controlada, cuyo objetivo era aprovechar la energía del sol y las estrellas en la Tierra mediante la creación de una reacción de fusión controlada y autosuficiente. El tokamak fue elegido como el enfoque más prometedor entre una serie de diseños diferentes que se estaban explorando en ese momento, y desde entonces se ha convertido en el enfoque de fusión más estudiado y desarrollado.

El tokamak ha sufrido muchos cambios y mejoras desde que se desarrolló por primera vez, y todavía es un área activa de investigación en la actualidad. Sin embargo, lograr reacciones de fusión sostenidas y controladas sigue siendo un desafío importante, y aún no está claro cuándo, o si, la fusión podrá aprovecharse como una fuente práctica de energía, desde entonces, los tokamaks han sufrido muchos cambios y mejoras a medida que los investigadores han tratado de superar los desafíos técnicos de lograr reacciones de fusión sostenidas y controladas.

Algunas de las principales ventajas y mejoras de los tokamaks a lo largo de los años incluyen:

• Confinamiento de plasma: los Tokamaks utilizan un campo magnético para confinar el plasma y evitar que toque las paredes del reactor, ya que el plasma está demasiado caliente para ser contenido por cualquier material sólido. A lo largo de los años, los investigadores han desarrollado varios enfoques para mejorar el confinamiento del plasma en tokamaks, como el uso de configuraciones de campo magnético avanzadas y el desarrollo de nuevas técnicas de calentamiento de plasma.

• Balance de energía: en un reactor de fusión, la energía liberada por las reacciones de fusión debe ser mayor que la energía que se necesita para sostener las reacciones. Esto requiere que el plasma se caliente a temperaturas muy altas y que se mantenga a estas temperaturas durante un período prolongado de tiempo. Los investigadores han desarrollado varios enfoques para aumentar el rendimiento energético de las reacciones de fusión en tokamaks, como el uso de técnicas avanzadas de calentamiento de plasma y el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías para el tokamak.

• Materiales: Las altas temperaturas y el ambiente de intensa radiación de un tokamak pueden ser extremadamente dañinos para los materiales que se utilizan en el reactor. Los investigadores han desarrollado nuevos materiales y tecnologías que pueden soportar las condiciones extremas de un tokamak, como sistemas de refrigeración avanzados y materiales con puntos de fusión elevados.

• Tamaño y complejidad: los Tokamaks se han vuelto más grandes y complejos

Los tokamaks han estado en desarrollo durante muchas décadas y actualmente hay varias instalaciones de tokamak experimentales en todo el mundo. Sin embargo, lograr reacciones de fusión sostenidas y controladas sigue siendo un desafío importante, y aún no está claro cuándo, o si, la fusión podrá aprovecharse como una fuente práctica de energía.

Tecnologia Stellarator

Un Stellarator es un tipo de reactor de fusión experimental que utiliza una configuración de campo magnético compleja y cuidadosamente diseñada para confinar y calentar un plasma con el fin de lograr la fusión nuclear. El diseño de un Stellarator está destinado a ser intrínsecamente estable, con el objetivo de lograr reacciones de fusión sostenidas y controladas que puedan generar electricidad.

El principio básico detrás de un Stellarator es utilizar una serie de bobinas de campo magnético dispuestas y formadas cuidadosamente para crear una región de confinamiento de plasma. Dentro de esta región, se crea un plasma de isótopos de hidrógeno y se calienta a temperaturas muy altas, momento en el que los átomos de hidrógeno pueden fusionarse y liberar energía. Esta energía se puede aprovechar para generar electricidad. Un Stellarator utiliza una disposición compleja de bobinas de campo magnético para crear una región de confinamiento de plasma en la que se puede crear un plasma de isótopos de hidrógeno y calentarlo a temperaturas muy altas. Este plasma se crea inyectando hidrógeno gaseoso en el Stellarator y utilizando energía de radiofrecuencia (RF) para ionizar el gas, eliminando los electrones de los átomos para crear un plasma. Luego, el plasma es confinado y calentado por el campo magnético, que es generado por las bobinas de campo y moldeado para crear una región estable y confinada en la que se puede retener el plasma.

El objetivo de un Stellarator es lograr reacciones de fusión sostenidas y controladas en el plasma, en las que los átomos de hidrógeno se fusionan y liberan energía. Esta energía se puede aprovechar para generar electricidad.

El concepto del Stellarator fue desarrollado por Lyman Spitzer, Jr., un físico de la Universidad de Princeton, en la década de 1950. Spitzer fue uno de los pioneros en el campo de la fusión termonuclear controlada y estaba interesado en encontrar una manera de aprovechar la energía del sol y las estrellas en la Tierra creando una reacción de fusión controlada y autosuficiente.

Como se explico anteriormente el concepto de Spitzer para el Stellarator se basó en la idea de utilizar una serie de bobinas de campo magnético cuidadosamente formadas y dispuestas para crear una región de plasma confinada y estable en la que se podría crear un plasma de isótopos de hidrógeno y calentarlo a temperaturas muy altas. El objetivo del Stellarator era lograr reacciones de fusión sostenidas y controladas en el plasma, en las que los átomos de hidrógeno se fusionan y liberan energía. Esta energía podría aprovecharse para generar electricidad.

Los Stellarator han estado en desarrollo durante muchas décadas y actualmente hay varias instalaciones experimentales de Stellarator en todo el mundo. Sin embargo, lograr reacciones de fusión sostenidas y controladas sigue siendo un desafío importante. Lograr reacciones de fusión sostenidas y controladas es un gran desafío técnico, y aún no está claro cuándo, o si, la fusión podrá aprovecharse como una fuente práctica de energía.

stellarator vs tokamak

Tanto los Stellarators como los tokamaks son reactores de fusión experimentales que utilizan campos magnéticos para confinar y calentar un plasma de isótopos de hidrógeno con el fin de lograr reacciones de fusión. Ambos enfoques tienen sus propias fortalezas y desafíos únicos, y los investigadores aún están trabajando para determinar qué enfoque es el más prometedor para lograr reacciones de fusión sostenidas y controladas que puedan generar electricidad.

Una de las principales diferencias entre Stellarators y tokamaks es la forma en que se genera y se forma el campo magnético. En un tokamak, el campo magnético se genera al pasar una corriente a través del plasma y las bobinas de campo, y las bobinas de campo están dispuestas en una configuración toroidal (en forma de rosquilla) alrededor del plasma. En un Stellarator, el campo magnético es generado por las bobinas de campo y se le da forma para crear una región de plasma confinada y estable.

Los Stellarators tienen la ventaja de ser inherentemente estables, lo que significa que no requieren calentamiento externo para mantener el plasma a altas temperaturas. Sin embargo, también son más complejos y difíciles de diseñar y construir que los tokamaks, y requieren un control preciso del campo magnético para lograr un confinamiento de plasma estable.

Los Tokamaks, por otro lado, son más simples y fáciles de construir que los Stellarators, y no requieren un control preciso del campo magnético. Sin embargo, no son intrínsecamente estables y requieren calentamiento externo para mantener el plasma a altas temperaturas, lo que puede ser un desafío.

Hablar sobre tecnologia de fusion es hablar de un tema muy extenso. En posteriores publicaciones hablaremos sobre aquellas tecnologias de fusion que en su momento solo se mencionaron en este articulo. Espero hayas disfrutado esta lectura

Rerefencias:

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