Por siglos, los humanos hemos soñado con aprovechar el poder del sol para energizar nuestras vidas aquí en la Tierra. Pero queremos ir más allá de recolectar energía solar, y un día generar el nuestro a partir de un mini-sol. Si somos capaces de resolver un conjunto extremadamente complejo de problemas científicos y de ingeniería, la energía de fusión promete un verde, a salvo, fuente ilimitada de energía. De solo un kilogramo de deuterio extraído del agua por día podría producirse suficiente electricidad para alimentar a cientos de miles de hogares.

Desde la década de 1950, La investigación científica y de ingeniería ha generado un enorme progreso para obligar a los átomos de hidrógeno a fusionarse en una reacción autosostenida, así como una pequeña pero demostrable cantidad de energía de fusión. Tanto los escépticos como los defensores señalan los dos desafíos pendientes más importantes:mantener las reacciones durante largos períodos de tiempo y diseñar una estructura material para aprovechar el poder de fusión para la electricidad.

Como investigadores de fusión en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton, lo sabemos de manera realista, la primera planta comercial de energía de fusión aún faltan por lo menos 25 años. Pero la posibilidad de que sus enormes beneficios lleguen en la segunda mitad de este siglo significa que debemos seguir trabajando. Las demostraciones importantes de la viabilidad de la fusión se pueden lograr antes, y deben, para que la energía de fusión pueda incorporarse en la planificación de nuestro futuro energético.

A diferencia de otras formas de generación eléctrica, como solar, gas natural y fisión nuclear, la fusión no puede desarrollarse en miniatura y luego simplemente ampliarse. Los pasos experimentales son grandes y requieren tiempo para su construcción. Pero el problema de la abundancia La energía limpia será un llamado importante para la humanidad durante el próximo siglo y más allá. Sería temerario no aprovechar plenamente esta fuente de energía tan prometedora.

¿Por qué el poder de fusión?

En fusión, dos núcleos del átomo de hidrógeno (isótopos de deuterio y tritio) se fusionan. Esto es relativamente difícil de hacer:ambos núcleos están cargados positivamente, y por lo tanto se repelen. Solo si se mueven extremadamente rápido cuando chocan, se estrellarán entre sí, fusionar y así liberar la energía que buscamos.

Esto sucede de forma natural bajo el sol. Aquí en la tierra, utilizamos potentes imanes para contener un gas extremadamente caliente de núcleos y electrones de deuterio y tritio cargados eléctricamente. Esta caliente el gas cargado se llama plasma.

El plasma está tan caliente, más de 100 millones de grados Celsius, que los núcleos cargados positivamente se mueven lo suficientemente rápido como para superar su repulsión eléctrica y fusionarse. Cuando los núcleos se fusionan, forman dos partículas energéticas:una partícula alfa (el núcleo del átomo de helio) y un neutrón.

Calentar el plasma a una temperatura tan alta requiere una gran cantidad de energía, que debe introducirse en el reactor antes de que pueda comenzar la fusión. Pero una vez que se pone en marcha la fusión tiene el potencial de generar suficiente energía para mantener su propio calor, lo que nos permite extraer el exceso de calor para convertirlo en electricidad utilizable.

El combustible para la energía de fusión es abundante en la naturaleza. El deuterio abunda en agua, y el propio reactor puede producir tritio a partir de litio. Y está disponible para todas las naciones, en su mayoría independientes de los recursos naturales locales.

El poder de fusión es limpio. No emite gases de efecto invernadero, y produce solo helio y un neutrón.

Es seguro. No hay posibilidad de una reacción descontrolada, como una "fusión" de fisión nuclear. Bastante, si hay algún mal funcionamiento, el plasma se enfría, y cesan las reacciones de fusión.

Todos estos atributos han motivado la investigación durante décadas, y se han vuelto aún más atractivos con el tiempo. Pero los aspectos positivos van acompañados del importante desafío científico de la fusión.

Avance hasta la fecha

El progreso de la fusión se puede medir de dos formas. El primero es el tremendo avance en la comprensión básica de los plasmas de alta temperatura. Los científicos tuvieron que desarrollar un nuevo campo de la física, la física del plasma, para concebir métodos para confinar el plasma en campos magnéticos fuertes. y luego evolucionar las habilidades para calentar, estabilizar, controlar la turbulencia y medir las propiedades del plasma supercaliente.

La tecnología relacionada también ha progresado enormemente. Hemos empujado las fronteras en imanes, y fuentes de ondas electromagnéticas y haces de partículas para contener y calentar el plasma. También hemos desarrollado técnicas para que los materiales puedan soportar el intenso calor del plasma en los experimentos actuales.

Es fácil transmitir las métricas prácticas que rastrean la marcha de la fusión hacia la comercialización. El principal de ellos es la energía de fusión que se ha generado en el laboratorio:la generación de energía de fusión aumentó de milivatios por microsegundos en la década de 1970 a 10 megavatios de energía de fusión (en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton) y 16 megavatios por un segundo (en el Joint Torus europeo en Inglaterra) en la década de 1990.

Un nuevo capítulo en la investigación

Ahora, la comunidad científica internacional está trabajando unida para construir una instalación de investigación de fusión masiva en Francia. Llamado ITER (latín para "el camino"), esta planta generará unos 500 megavatios de energía de fusión térmica durante unos ocho minutos a la vez. Si este poder se convirtiera en electricidad, podría alimentar alrededor de 150, 000 viviendas. Como experimento, nos permitirá probar cuestiones clave de ciencia e ingeniería en preparación para las plantas de energía de fusión que funcionarán de forma continua.

ITER emplea el diseño conocido como "tokamak, "originalmente un acrónimo ruso. Se trata de un plasma en forma de rosquilla, confinado en un campo magnético muy fuerte, que se crea en parte por la corriente eléctrica que fluye en el plasma mismo.

Aunque está diseñado como un proyecto de investigación, y no pretende ser un productor neto de energía eléctrica, ITER producirá 10 veces más energía de fusión que los 50 megavatios necesarios para calentar el plasma. Este es un gran paso científico, creando el primer "plasma ardiente, "en el que la mayor parte de la energía utilizada para calentar el plasma proviene de la propia reacción de fusión.

ITER cuenta con el apoyo de gobiernos que representan la mitad de la población mundial:China, la Unión Europea, India, Japón, Rusia, Corea del Sur y EE. UU. Es una fuerte declaración internacional sobre la necesidad de y promesa de, energía de fusión.

El camino a seguir

De aquí, el camino restante hacia la energía de fusión tiene dos componentes. Primero, debemos continuar investigando sobre el tokamak. Esto significa avanzar en la física y la ingeniería para que podamos mantener el plasma en un estado estable durante meses. Necesitaremos desarrollar materiales que puedan soportar una cantidad de calor igual a una quinta parte del flujo de calor en la superficie del sol durante períodos prolongados. Y debemos desarrollar materiales que cubran el núcleo del reactor para absorber los neutrones y producir tritio.

El segundo componente en el camino hacia la fusión es desarrollar ideas que mejoren el atractivo de la fusión. Cuatro de esas ideas son:

1. Usando computadoras, optimizar los diseños de reactores de fusión dentro de las limitaciones de la física y la ingeniería. Más allá de lo que los humanos pueden calcular, Estos diseños optimizados producen formas de rosquilla retorcidas que son muy estables y pueden funcionar automáticamente durante meses. Se les llama "estelaradores" en el negocio de la fusión.
2. Desarrollando nuevos imanes superconductores de alta temperatura que pueden ser más fuertes y más pequeños que los mejores de hoy. Eso nos permitirá construir más pequeños, y probablemente más barato, reactores de fusión.
3. Usando metal líquido, en lugar de un sólido, como el material que rodea el plasma. Los metales líquidos no se rompen, ofreciendo una posible solución al inmenso desafío de cómo podría comportarse un material circundante cuando entra en contacto con el plasma.
4. Sistemas de construcción que contienen plasmas en forma de rosquilla sin agujero en el centro, formando un plasma con forma casi de esfera. Algunos de estos enfoques también podrían funcionar con un campo magnético más débil. Estos enfoques de "toros compactos" y "campo bajo" también ofrecen la posibilidad de reducir el tamaño y el costo.

Los programas de investigación patrocinados por el gobierno en todo el mundo están trabajando en los elementos de ambos componentes, y darán como resultado hallazgos que beneficiarán a todos los enfoques de la energía de fusión (así como a nuestra comprensión de los plasmas en el cosmos y la industria). En los últimos 10 a 15 años, empresas de capital privado también se han sumado al esfuerzo, particularmente en busca de toros compactos y avances de campo bajo. Se acerca el progreso y traerá abundancia, limpio, energía segura con él.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.