La fusión nuclear es el proceso que impulsa al Sol y a todas las demás estrellas. Durante la fusión, los núcleos de dos átomos se acercan lo suficiente como para fusionarse, liberando enormes cantidades de energía.

Replicar este proceso en la Tierra tiene el potencial de generar electricidad casi ilimitada con prácticamente cero emisiones de carbono y mayor seguridad. y sin el mismo nivel de desechos nucleares que la fisión.

Pero construir lo que es esencialmente una mini estrella en la Tierra y mantenerla unida dentro de un reactor no es una tarea fácil. Requiere inmensas temperaturas y presiones y campos magnéticos extremadamente fuertes.

En este momento, no tenemos materiales capaces de resistir estos extremos. Pero investigadores como yo estamos trabajando para desarrollarlos, y hemos encontrado algunas cosas interesantes en el camino.

Tokamaks

Hay muchas formas de contener las reacciones de fusión nuclear en la Tierra, pero el más común usa un dispositivo en forma de rosquilla llamado tokamak. Dentro del tokamak los combustibles para la reacción, isótopos de hidrógeno llamados deuterio y tritio, se calientan hasta que se convierten en plasma. Un plasma es cuando los electrones de los átomos tienen suficiente energía para escapar de los núcleos y comenzar a flotar. Debido a que está formado por partículas cargadas eléctricamente, a diferencia de un gas normal, puede estar contenido en un campo magnético. Esto significa que no toca los lados del reactor, sino que flota en el medio en forma de rosquilla.

Cuando el deuterio y el tritio tienen suficiente energía se fusionan, creando helio, neutrones y energía liberadora. El plasma tiene que alcanzar temperaturas de 100 millones de grados Celsius para que se produzcan grandes cantidades de fusión, diez veces más caliente que el centro del Sol. Tiene que hacer mucho más calor porque el Sol tiene una densidad de partículas mucho mayor.

Aunque está contenido principalmente dentro de un campo magnético, el reactor todavía tiene que soportar temperaturas enormes. En Iter, el experimento de fusión más grande del mundo, se espera que se construya en 2035, la parte más caliente de la máquina alcanzaría alrededor de 1, 300 ℃.

Si bien el plasma estará contenido principalmente en un campo magnético, hay ocasiones en las que el plasma puede chocar con las paredes del reactor. Esto puede resultar en erosión, implantación de combustible en las paredes y modificaciones de las propiedades del material.

Además de las temperaturas extremas, también tenemos que considerar los subproductos de la reacción de fusión de deuterio y tritio, como neutrones de energía extremadamente alta. Los neutrones no tienen carga, por lo que no pueden ser contenidos por el campo magnético. Esto significa que chocan contra las paredes del reactor, causando daño.

Los avances

Todos estos desafíos increíblemente complejos han contribuido a grandes avances en materiales a lo largo de los años. Uno de los más notables han sido los imanes superconductores de alta temperatura, que están siendo utilizados por varios proyectos de fusión diferentes. Estos se comportan como superconductores a temperaturas por debajo del punto de ebullición del nitrógeno líquido. Si bien esto suena frío, es alto en comparación con las temperaturas mucho más frías que necesitan otros superconductores.

En fusión, estos imanes están a solo unos metros de las altas temperaturas dentro del tokamak, creando un gradiente de temperatura enormemente grande. Estos imanes tienen el potencial de generar campos magnéticos mucho más fuertes que los superconductores convencionales. lo que puede reducir drásticamente el tamaño de un reactor de fusión y puede acelerar el desarrollo de la fusión comercial.

Tenemos algunos materiales diseñados para hacer frente a los diversos desafíos que les presentamos en un reactor de fusión. Los pioneros en este momento son aceros de activación reducida, que tienen una composición alterada a los aceros tradicionales por lo que se reducen los niveles de activación por daño neutrónico, y tungsteno.

Una de las cosas más interesantes de la ciencia es que algo inicialmente visto como un problema potencial puede convertirse en algo positivo. Fusion no es una excepción a esto, y un ejemplo muy específico pero digno de mención es el caso de la pelusa de tungsteno. Fuzz es una nanoestructura que se forma en el tungsteno cuando se expone al plasma de helio durante los experimentos de fusión. Inicialmente considerado un problema potencial debido a los temores de erosión, ahora hay investigación en aplicaciones que no son de fusión, incluida la división del agua solar, descomponiéndola en hidrógeno y oxígeno.

Sin embargo, ningún material es perfecto, y hay varios problemas pendientes. Estos incluyen la fabricación de materiales de activación reducida a gran escala y la fragilidad intrínseca del tungsteno, lo que hace que trabajar con él sea un desafío. Necesitamos mejorar y perfeccionar los materiales existentes que tenemos.

Los desafios

A pesar de los enormes avances en el campo de los materiales para la fusión, todavía queda mucho trabajo por hacer. El problema principal es que confiamos en varios experimentos proxy para recrear las condiciones potenciales del reactor, y tengo que intentar unir estos datos, a menudo utilizando muestras muy pequeñas. El trabajo de modelado detallado ayuda a extrapolar las predicciones del rendimiento del material. Sería mucho mejor si pudiéramos probar nuestros materiales en situaciones reales.

La pandemia ha tenido un gran impacto en la investigación de materiales porque ha sido más difícil llevar a cabo experimentos de la vida real. Es muy importante que sigamos desarrollando y utilizando modelos avanzados para predecir el rendimiento de los materiales. Esto se puede combinar con avances en aprendizaje automático, para identificar los experimentos clave en los que debemos centrarnos e identificar los mejores materiales para el trabajo en los futuros reactores.

La fabricación de nuevos materiales se ha realizado normalmente en pequeños lotes, centrándose solo en producir suficientes materiales para experimentos. Avanzando, más empresas seguirán trabajando en la fusión y habrá más programas trabajando en reactores experimentales o prototipos.

Debido a esto, estamos llegando a una etapa en la que debemos pensar más en la industrialización y el desarrollo de las cadenas de suministro. A medida que nos acercamos a los prototipos de reactores y, con suerte, a las centrales eléctricas en el futuro, El desarrollo de cadenas de suministro robustas a gran escala será un gran desafío.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.