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#237enero 2021

Estimaciones termonucleares

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En sus 10 predicciones impactantes anuales, Saxo Bank dice que “el diseño de fusión re volucionario catapulta a la humanidad a la abundancia de energía”.

Peter Garnry, Director de Estrategia de Renta Variable de Saxo Bank, confía en que la humanidad aún no puede adoptar nuevas tecnologías debido a la escasez de electricidad. Al escribir sobre energía eléctrica, dijo: “Desde la madera hasta el carbón y los combustibles fósiles, la energía de mayor densidad hace posibles sectores completamente nuevos, así como una mayor productividad y más riqueza para la sociedad. Y cuando miramos las prometedoras tecnologías futuras, desde los trenes Hyperloop y la IA hasta la producción de hidrógeno por electrólisis y desalinización de agua, la principal limitación es la energía más barata y de mayor densidad. El mundo necesitará mucho más energía para que nuestra economía siga creciendo a un ritmo que se acerque a las tasas históricas… “

En su opinión, las nuevas alternativas a las energías renovables no podrán reducir drásticamente los costos y aumentar la escala de generación de energía. “Sí, pueden ser menos dañinas al medio ambiente, pero sus efectos en todo el sistema debido a una menor densidad de energía significan que realmente son un gran paso hacia atrás. El mundo necesita urgentemente una disrupción en la tecnología energética”.

La fusión termonuclear puede ser una solución al problema. “Entra en 2021, en el que un algoritmo de IA avanzado resuelve las complejidades súper no lineales de la física del plasma, abriendo el camino para la energía de fusión comercial”. La densidad de energía en la fusión termonuclear es realmente la más alta entre las fuentes de energía conocidas y asciende a 645 millones de MJ por kilogramo. Para comparar, la densidad de energía de un motor de combustión interna (menos el peso del generador) es de 8 a 10,5 MJ/kg.

Las predicciones de Peter Garnry están inspiradas en SPARC, un reactor termonuclear experimental desarrollado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts con el apoyo del Departamento de Energía de EE.UU.

Estados Unidos no es el único país que investiga la fusión termonuclear y su aplicación práctica: China, Rusia y Europa van a la par.

 

Rusia lleva a cabo investigaciones sobre fusión termonuclear tanto de forma independiente como parte del proyecto Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER). En Rosatom, dos organizaciones se dedican a la investigación termonuclear: el Instituto de Investigación Científica de Física Experimental Panruso (VNIIEF) en Sarov, que estudia la fusión por confinamiento inercial, y el Instituto Kurchatov, que se especializa en la fusión por confinamiento magnético.

Fusión inercial en VNIIEF

Convencionalmente, la fusión termonuclear inercial se logra de la siguiente manera: un blanco de combustible esférico que contiene varias capas de combustible y las cápsulas se comprimen a una densidad que excede la densidad normal en tres órdenes de magnitud. El blanco se comprime mediante láseres de alta energía o haces de iones. Su energía evapora a la capa exterior del blanco de combustible, produciendo una fuerza de reacción contra la capa interior, comprimiendo el blanco. La onda de choque resultante debe ser lo suficientemente fuerte como para aumentar la temperatura del combustible a un nivel suficiente para que comience una reacción termonuclear.

A principios de diciembre de 2020, VNIIEF lanzó el primer módulo de la unidad láser UFL-2M más potente del mundo necesario para realizar experimentos sobre fusión por confinamiento inercial y estudiar las propiedades del material en condiciones extremas (a presión y temperatura ultra altas).

El primer módulo tiene ocho canales de rayos láser. En total, UFL-2M tendrá 192 canales de rayos láser. Esto significa que 192 haces de rayos láser impactarán en el blanco desde diferentes lados. Los blancos termonucleares colocados dentro de la unidad recibirán 1,5 veces más energía de impulso que en el National Ignition Facility (NIF) con sede en EE.UU., que es por ahora el generador de rayos láser más potente entre los puestos en servicio o en construcción.

“VNIIEF sigue mejorando sus capacidades computacionales para modelar el comportamiento del blanco de combustible durante la fusión por confinamiento inercial, estudia los procesos físicos dentro del blanco y optimiza los parámetros del proceso de ignición termonuclear. En los próximos años, esperamos obtener más datos experimentales sobre la unidad de rayos láser que estamos construyendo”, dijo Artyom Gnutov, Jefe de Investigación y Desarrollo del Instituto de Física Teórica y Matemática VNIIEF.

Los nuevos conocimientos permitirán comprender mejor los procesos estelares y permitirán encontrar posibilidades de crear nuevas fuentes de energía. Los experimentos con la nueva unidad de rayos láser comenzarán en 2021. “VNIIEF tiene todas las posibilidades de ser el primero en el mundo en lograr la ignición termonuclear en los blancos”, dijo Sergei Garanin, miembro de la Academia de Ciencias de Rusia, subdirector de Física Láser de VNIIEF y diseñador general de sistemas de rayos láser.

 

Fusión por confinamiento magnético en el Instituto Kurchatov

La fusión por confinamiento magnético, como su nombre lo indica, utiliza un campo magnético para mantener el plasma de alta temperatura dentro del tokamak sin tocar sus paredes. El tokamak es una transcripción del acrónimo ruso que significa “cámara toroidal con bobinas magnéticas”.

En diciembre de 2020, un equipo de investigadores del Instituto Kurchatov creó un diseño conceptual de una unidad híbrida que utilizará tanto la fusión termonuclear como la fisión nuclear. La fusión termonuclear se utilizará como fuente de neutrones para controlar la fisión nuclear en el núcleo de un reactor nuclear convencional. “La alimentación del plasma con combustible termonuclear (isótopos de hidrógeno pesado, deuterio y tritio), la eliminación de los productos de fusión (helio) y, lo que es más importante, la posibilidad de uso repetido de la mezcla de combustible en el proceso de reabastecimiento garantizará el funcionamiento continuo del sistema híbrido y del reactor termonuclear”, dijo Sergei Ananyev, investigador sénior del Instituto Kurchatov, al explicar las ventajas de la unidad híbrida.

Otra ventaja de la tecnología híbrida desarrollada por el Instituto Kurchatov es que puede quemar desechos nucleares de larga duración de centrales de energía nuclear, como actínidos menores, y obtener nuevos combustibles para reactores de fisión.

El siguiente paso es construir una instalación piloto con una capacidad térmica de hasta 500 MW.

 

ITER

Rusia continúa con su participación en el proyecto ITER. El objetivo es construir un reactor termonuclear tipo tokamak y demostrar la posibilidad de utilizar la fusión controlada en aplicaciones comerciales. Los países que participan en el proyecto son Rusia, India, China, Estados Unidos, Corea del Sur, Japón y países de la Unión Europea.

Según el contrato, Rusia se compromete a suministrar 25 sistemas de equipos de alta tecnología para el ITER. Dos de ellos — l os superconductores de Nb3Sn y NbTi —  se han fabricado y suministrado a tiempo. Los superconductores de fabricación rusa fueron reconocidos por tener la más alta calidad del mundo.

En noviembre de 2020, Rosatom hizo el primer envío de aparellaje eléctrico (switchgear) para el sistema de alimentación de las bobinas del electroimán superconductor de ITER.

El primer envío consistió en diez dispositivos de conmutación y diez bastidores de control. Están diseñados para proteger convertidores CA-CC en emergencias.

El envío también ha incluido sondas de fibra óptica para medir la temperatura de los contactos eléctricos y monitorear la condición del embarrado. “Las sondas de fibra óptica garantizan un aislamiento galvánico natural y son resistentes a las interferencias electromagnéticas y las fluctuaciones del campo magnético. También hacen posible construir sistemas con miles de puntos de medición a grandes distancias entre sí, esto es muy importante para el ITER cuyos embarrados tienen una longitud total de más de 5.000 metros”, explicó Maxim Manzuk, Jefe de la Unidad BI-4 en el Centro de Ciencia y Tecnología Sintez del Instituto de Investigación Efremov de Rosatom.

y otros proyectos de investigación internacionales

Investigadores del Instituto Kurchatov participan en la Colaboración Borexino. Recientemente, los científicos han encontrado evidencia de que el helio en el Sol se sintetiza a partir del hidrógeno no solo en el proceso de reacciones en cadena protón-protón, sino también en la reacción que involucra carbono, nitrógeno y oxígeno (el ciclo CNO). El físico germano-estadounidense Hans Albrecht Bethe, que recibió un premio Nobel por su descubrimiento en 1967, desarrolló la teoría que describe esta reacción. La proporción de esta reacción en el Sol es de aproximadamente el 1 %.

“Las investigaciones futuras nos ayudarán a comprender mejor los procesos estelares y a obtener más conocimientos sobre la composición química del Sol”, subrayó Mikhail Skorohvatov, Jefe de la División de Física de Neutrinos del Instituto Kurchatov.

 

Perspectivas termonucleares

Peter Garnry de Saxo Bank cree que la fusión termonuclear es una nueva y abundante fuente de electricidad muy barata, “El dominio de la energía de fusión abre la perspectiva de un mundo que ya no se ve frenado por la escasez de agua o alimentos, gracias a la desalinización y la agricultura vertical. Es un mundo con transporte barato, robótica totalmente desatada y tecnología de automatización, lo que hace que la generación joven actual sea la última requerida para “trabajar” por necesidad. Y bueno, ¿qué tal un poco de secuestro de CO2 por otro lado, haciendo regresar el reloj del cambio climático en el proceso? Lo mejor de todo es que la energía de fusión permite que casi todos los países se vuelvan autosuficientes en los alimentos y la energía, y que experimenten la mejora más rápida y más grande en los niveles de vida jamás vista…”.

Sin embargo, teniendo en cuenta la posición del Sr. Garnry, podríamos asumir que su principal objetivo es redirigir las inversiones.

“Aún más importante, una inversión masiva de los sectores público y privado permitiría la implementación del nuevo diseño de fusión en unos pocos años”, dijo Peter Garnry.

Incluso una breve descripción general de los trabajos sobre fusión termonuclear realizados por científicos rusos muestra que las tareas de investigación actuales van mucho más allá de la generación de energía para empresas y hogares y alcanzan la generación de energía de ciclo cerrado y la investigación sobre la naturaleza de las estrellas. “La fusión termonuclear controlada es un hueso duro de roer en la ciencia. La investigación en fusión termonuclear se lleva a cabo en muchos países y sirve como uno de los símbolos del desarrollo tecnológico. A menudo estimula el progreso en otras áreas, como ciencia fundamental, estudios de materiales, láseres, tecnología de plasma y otros. Rusia se mantiene al día, desarrollando sus propios proyectos y continuando la investigación”, dijo Artyom Gnutov.
Las posibilidades de la generación termonuclear con fines comerciales aún deben estudiarse; es una tarea para las asociaciones internacionales. No es de extrañar que los investigadores rusos crean que un nuevo mundo impulsado por energía termonuclear comercial no es una realidad para el 2021 ni para los próximos años.

“Por un lado, el conocimiento que hemos acumulado nos acerca a las aplicaciones prácticas de la fusión termonuclear. Por otro lado, nos damos cuenta más claramente de lo difícil que es esta tarea. Los científicos han fallado muchas veces en predecir incluso cuándo lograrán una reacción termonuclear significativa en condiciones de laboratorio, una tarea difícil pero mucho más simple que construir un reactor termonuclear. Esta es la razón por la que el uso comercial de la energía termonuclear no es lo que ocurrirá en los próximos años. Uno debe ser muy optimista para creer que la aprovecharemos en 20 a 30 años”, dijo Artyom Gnutov.

Sin embargo, él estuvo de acuerdo en que la energía termonuclear, cuando se convierta en realidad, traerá cambios dramáticos a la industria y la economía de la energía, abrirá el acceso a tecnologías intensivas en energía y, en general, cambiará nuestra vida para mejor.