Investigadores en Japón han demostrado reacciones, por primera vez en un reactor de fusión, con un tipo de combustible que es abundante y no produce partículas dañinas. Aunque las reacciones no estuvieron cerca de lograr energía neta y requirieron temperaturas aún más altas que el combustible de fusión estándar, el resultado es una prueba de principio para la empresa emergente de fusión privada TAE Technologies, que argumenta que su camino hacia una planta de energía práctica enfrenta menos obstáculos de ingeniería que los convencionales. enfoques.
Los resultados muestran cómo el combustible alternativo, una mezcla de protones y el elemento boro, «tiene un lugar en la energía de fusión a escala de servicios públicos», dijo el director ejecutivo de TAE, Michl Binderbauer, en una declaración. No todo el mundo está convencido. “Es un experimento interesante”, pero hará poco para convencer a los escépticos de que cambien de combustible, dice Dennis Whyte, director del Plasma Science and Fusion Center del Instituto Tecnológico de Massachusetts.
La fusión a menudo se promueve como una fuente de energía libre de carbono que tiene un combustible abundante y barato: una mezcla de los isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio (DT). En realidad, el tritio es raro y debe ser «creado» a partir de litio en el propio reactor; algunos científicos están preocupados por la futura escasez. Además, cuando se fusiona a altas temperaturas, el combustible DT produce una gran cantidad de neutrones de alta energía, que dañan tanto a los humanos como a las estructuras del reactor.
TAE está siguiendo una receta diferente: fusionar núcleos de hidrógeno (protones) con boro fácil de extraer. La reacción no genera neutrones y produce solo helio inofensivo, pero requiere temperaturas de alrededor de 3 mil millones de grados Celsius, 200 veces el calor del núcleo del Sol y 30 veces más caliente que lo que se necesita para fusionar DT. Los investigadores ya han demostrado que pueden fusionar protones y boro utilizando haces de partículas dirigidos a un objetivo sólido o lanzando plasma con láser. Ahora, un equipo lo ha hecho, al menos a pequeña escala, utilizando un reactor de fusión convencional, llamado Dispositivo helicoidal grande (LHD), en el Instituto Nacional de Ciencias de la Fusión de Japón. El grupo informó sobre su trabajo la semana pasada en Comunicaciones de la naturaleza.
El LHD, que comenzó a operar en 1998, tiene forma de dona retorcida y tiene electroimanes que contienen el combustible ionizado supercaliente, conocido como plasma. Este tipo de dispositivo, conocido como stellarator, no está diseñado para operar a las temperaturas requeridas para la fusión de protones y boro. En los experimentos, un plasma de boro se calentó a unos 20 millones de grados centígrados y se dispararon haces de átomos de hidrógeno neutro en el plasma. La fusión protón-boro produce átomos de helio de alta velocidad y sensores de helio, desarrollados por TAE, registró 150 veces más visitas con un plasma de boro en la máquina que cuando contenía un gas no reactivo, una señal de que se estaba produciendo la fusión.
Las simulaciones por computadora del equipo sugirieron que esto se tradujo en alrededor de 5 billones de reacciones de fusión por segundo. Aunque esto puede parecer mucho, Whyte dice que equivale a unos 7 vatios de potencia, una décima parte de lo que produce la llama de una vela. Además, dice Whyte, la mayoría de esas reacciones fueron causadas por los haces de partículas. En muchos reactores de fusión, se utilizan haces de partículas para aumentar la temperatura general del plasma lo suficiente como para fusionarse más ampliamente. Pero los resultados del LHD sugieren que la fusión solo estaba ocurriendo en los pocos puntos calientes donde los haces golpean el plasma, no en otros lugares, dice Whyte, porque la tasa de fusión cae rápidamente tan pronto como se apaga el haz.
Un reactor de fusión que produzca energía necesitaría una combustión de fusión más amplia para proporcionar suficiente calor para sostener las reacciones, más algo extra para ser cosechado para electricidad. El LHD está muy lejos de eso, pero TAE cree que puede llegar allí con un dispositivo de plasma muy diferente. Los diversos bancos de pruebas de TAE han creado un “anillo de humo” de plasma que gira rápidamente y que se estabiliza y calienta con haces de partículas. La máquina más grande de TAE hasta el momento, llamada Norman, alcanzó una temperatura de 60 millones de grados centígrados durante 30 milisegundos.
En unos pocos años, TAE dice que terminará de construir un sucesor, llamado Copernicus, que está destinado a alcanzar los 100 millones de grados centígrados, la temperatura necesaria para la fusión DT convencional. Para la próxima década, la compañía quiere construir una máquina aún más poderosa, Da Vinci, que podría llevarla a temperaturas cercanas a las del protón-boro.
Un reactor que funcione con protones y boro eliminaría muchos de los desafíos a los que se enfrentan los ingenieros cuando intentan que la fusión pase de ser una demostración científica a un generador de electricidad práctico. La Instalación Nacional de Ignición de EE. UU. apareció en los titulares el año pasado después de demostrar «ganancia»: una reacción de fusión provocada por láseres potentes que producían más calor que los láseres bombeados. Sin embargo, esa forma explosiva de reactor de fusión puede ser difícil de convertir en una planta de energía. El reactor internacional ITER que se está construyendo en Francia tiene como objetivo demostrar un enfoque más estacionario, similar a un horno. Pero no demostrará ganancias hasta fines de la próxima década, cuando algunos científicos se preocupen de que comenzará a engullir la mayor parte del suministro mundial de tritio.
ITER también tiene un blindaje de hormigón grueso para proteger a los operadores de los neutrones. En un reactor comercial, funcionando las 24 horas del día, esos neutrones también dañarían la estructura del reactor y acortarían su vida útil. Se están realizando estudios para encontrar materiales resistentes a los neutrones para los reactores, pero aún no se han identificado candidatos obvios.
Whyte dice que los neutrones son un gran desafío para la fusión convencional, pero cree que llevar el plasma a temperaturas medidas en miles de millones podría ser igual de difícil. Incluso si TAE llega allí, cada reacción de protón-boro produce solo la mitad de la energía de la fusión de deuterio y tritio. Para que valga la pena, la fusión de protones y boro “necesitaría fuertes ventajas de ingeniería”, dice Whyte.
Corrección, 1 de marzo, 14:25: Una versión anterior de esta historia tergiversó el rendimiento energético de una reacción protón-boro. Es la mitad de una reacción de deuterio-tritio, no una décima parte.
