En los experimentos que culminan los 40 años de funcionamiento del Joint European Torus (JET), el reactor de fusión más grande del mundo, los investigadores anunciaron hoy que han batido el récord de producción de energía de fusión controlada. El 21 de diciembre de 2021, el JET con sede en el Reino Unido calentó un gas de isótopos de hidrógeno a 150 millones de grados centígrados y lo mantuvo estable durante 5 segundos mientras los núcleos se fusionaban, liberando 59 megajulios (MJ) de energía, aproximadamente el doble de la energía cinética de un reactor completamente camión semirremolque cargado que viaja a 160 kilómetros por hora. La energía en el pulso es más de 2,5 veces el récord anterior de 22 MJ, establecido por JET 25 años antes. «Ver tomas en las que mantiene alta potencia durante 5 segundos completos es increíble», dice Steven Cowley, director del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL).
Sin embargo, el logro de JET no significa que la electricidad generada por fusión fluirá a la red en el corto plazo. Los investigadores tuvieron que poner aproximadamente tres veces más energía en el gas que la reacción producida. Pero el resultado les da confianza en el diseño de ITER, un gigantesco reactor de fusión en construcción en Francia, que se supone que debe bombear al menos 10 veces más energía de la que recibe. “Esta es una muy buena noticia para ITER”, dice. Alberto Loarte, responsable de la división científica del ITER. “Confirma fuertemente nuestra estrategia”.
La fusión se ha promocionado durante mucho tiempo como una futura fuente de energía verde. Si la misma reacción nuclear que alimenta al Sol pudiera duplicarse en la Tierra, podría proporcionar abundante energía con pequeñas cantidades de desechos nucleares y sin gases de efecto invernadero. Pero producir energía neta ha resultado difícil de alcanzar. En agosto de 2021, los investigadores de la Instalación Nacional de Ignición, que desencadena la fusión al calentar y triturar diminutos gránulos de combustible con 192 rayos láser convergentes, informaron que habían llegado al 71 % de esta marca de equilibrio, más cerca que nadie, pero solo por un instante.
JET e ITER representan un enfoque diferente, más adecuado para la producción de energía sostenida. Ambos son tokamaks: recipientes en forma de rosquilla envueltos en una rejilla de potentes imanes que mantienen el gas ionizado supercaliente, o plasma, en su lugar y evitan que toque y derrita las paredes del recipiente. Los investigadores en la década de 1980 creían que JET y una máquina rival en PPPL (ahora desmantelada) alcanzarían rápidamente el punto de equilibrio. JET se acercó en 1997, generando una breve ráfaga de 1,5 segundos que alcanzó dos tercios de la potencia de entrada.
Pero el lento progreso impulsó a los investigadores en la década de 1990 a diseñar ITER, un tokamak gigante de 20 metros de ancho que contiene 10 veces más plasma que JET. Un volumen de plasma más grande, predijeron los modelos, mantendría las condiciones de fusión por más tiempo al dificultar la fuga del calor. El ITER de $ 25 mil millones, financiado por China, la Unión Europea, India, Japón, Corea del Sur, Rusia y los Estados Unidos, comenzará a operar en 2025 pero no producirá grandes cantidades de energía hasta 2035, cuando debe para comenzar a quemar los isótopos productores de energía deuterio y tritio (DT).
La operación temprana de JET enseñó a los diseñadores de ITER una lección clave. JET estaba revestido con carbón porque resiste la fusión. Pero resultó que “absorbía el combustible como una esponja”, dice Fernanda Rimini, experta en operaciones de plasma de JET. Así que los diseñadores de ITER optaron por utilizar los metales berilio y tungsteno.
Sin embargo, nadie sabía cómo se desempeñarían y JET proporcionó un banco de pruebas. A partir de 2006, los ingenieros mejoraron sus imanes, el sistema de calentamiento por plasma y la pared interior para que fuera lo más parecido posible a ITER. Cuando se reinició en 2011, las señales no eran buenas, dice Cowley, quien entonces era director del Culham Center for Fusion Energy, que administra JET en nombre de la agencia EuroFusion de la Unión Europea. “No podíamos entrar en el mismo [high power] regímenes.”
Minuciosamente, el equipo de JET resolvió lo que estaba pasando. Descubrieron que los iones de plasma de alta energía eliminaban los iones de tungsteno de la pared, lo que provocaba que irradiaran energía y expulsaran el calor del plasma. Durante muchos años, el equipo elaboró una estrategia de afrontamiento. Al inyectar una capa delgada de gas, como nitrógeno, neón o argón, cerca de la pared del recipiente, podrían enfriar el borde más externo del plasma y evitar que los iones golpeen el tungsteno. “Poco a poco recuperamos el rendimiento”, dice Cowley.
En septiembre de 2021, los investigadores de JET se propusieron ver qué podía hacer su máquina rediseñada. Eso significaba cambiar de combustible a DT. La mayoría de los reactores de fusión funcionan con hidrógeno o deuterio ordinarios, lo que les permite explorar el comportamiento de los plasmas y evitar las complicaciones del tritio, que es radiactivo y escaso. Pero el personal de JET estaba ansioso por probar su máquina en condiciones reales de producción de energía. Primero, tuvieron que reactivar las instalaciones de manejo de tritio del reactor, que no se usaron durante dos décadas, que extraen iones de tritio y deuterio no quemados del gas residual después de cada disparo y los reciclan.
Los éxitos recientes preparan el escenario para ITER y muestran que la apuesta de sus diseñadores por una pared totalmente metálica debería dar sus frutos. “Esto confirma que asumimos el nivel correcto de riesgo”, dice Loarte. Pero para JET, la carrera de DT es una especie de canto de cisne. Joe Milnes, jefe de operaciones de JET, dice que el reactor tendrá una ejecución experimental más, desde mediados de 2022 hasta finales de 2023, antes de cerrar. “Ha sido el experimento de fusión más exitoso de la historia”, dice, pero es hora de “entregar el testigo a ITER”.
