La relación entre la energía de entrada y la de salida a menudo se denomina “Q” 
.
Para incrementar Q, podemos hacer dos cosas:
- Usar menos energía
- Producir más energía
Resulta que, estas dos cosas están estrechamente relacionadas. A medida que hay más y más reacciones de fusión (es decir, producimos más energía), el plasma se calienta cada vez más. Esto significa que no necesitamos seguir invirtiendo tanta energía para calentarlo . En algún momento, ¡incluso podría seguir funcionando sin ningún aporte de calor externo!
Durante los últimos 60 años, los investigadores han trabajado en muchos métodos diferentes para conseguir que funcione bien . Lamentablemente, casi todos estos diseños están estancados en valores Q entre 0,0001 y 0,000001 . Sin embargo, hay un tipo (llamado ’Tokamak’) que ha logrado Q = 0,65 .
¡Veámos cómo funciona!
“Tokamak”: el dónut de la fusión
Recuerda nuestros tres problemas:
- Calentar el plasma a alrededor de 100 000 000 °C .
- Densidad .
- Confinamiento del plasma de segundos a minutos .
El Tokamak satisface simultáneamente los requisitos de confinamiento y densidad utilizando campos magnéticos fuertes . Estos campos magnéticos fuerzan a los electrones de carga negativa y a los núcleos de carga positiva a moverse una y otra vez en una trayectoria con forma de dónut. Debido a que los imanes rodean el plasma, crean una alta presión que aumenta la densidad del plasma .
Respira hondo. Relájate, asegúrate de haber entendido lo anterior. Porque ahora analizaremos algunos de los problemas en los que trabajan los investigadores de fusión en la actualidad.
¿De dónde provienen el deuterio y el tritio?
El deuterio es fácil de encontrar y abundante: está en el agua del océano. Sin embargo, la naturaleza sólo produce unos pocos kilogramos de tritio cada año y no existe una u0022fábrica de tritiou0022 . Los experimentos de fusión actuales lo suelen obtener de plantas de energía de fisión nuclear, donde el tritio se produce como desecho radiactivo . Pero, ¿de dónde lo sacaremos si dejamos de usar reactores de fisión?
Afortunadamente, existe una manera de que los reactores de fusión generen su propio tritio . En teoría, ¡podríamos reutilizar ese neutrón extra para producir más tritio a partir de deuterio! La reacción completa usa deuterio (1p1n) y litio-6 (3p6n) como insumos para producir helio :
El uso de litio-6 para producir tritio en realidad introduce más energía al sistema . Hacer esto en la práctica es muy difícil, y es una de las áreas activas de investigación e incertidumbre en la energía de fusión .
¡¿Cómo podemos sacar energía del Tokamak?!
Por el momento, todo bien. Tenemos deuterio y tritio, podemos calentarlos y provocar la fusión. ¿Pero, cómo obtenemos la energía?
Recuerda, los neutrones no tienen carga. Los campos magnéticos solo interactúan con partículas cargadas. Esto significa que el campo magnético, por fuerte que sea, no puede contener los neutrones rápidos que salen de las reacciones de fusión.
Estos neutrones rápidos son el aspecto más valioso y más molesto de la fusión. Valiosos porque de su velocidad es de donde obtenemos la energía , y molestos porque dañan las paredes del reactor . ¿Cómo resolvemos esto?
En el gráfico (repetido) de arriba, verás una capa llamada manto fértil entre el plasma y los imanes. Los neutrones rápidos se ralentizan dentro del manto y su energía cinética se transfiere para calentarlo . El manto caliente, a su vez, se usa para calentar agua, que luego hace girar una turbina de vapor (como lo hacen las plantas de fisión nuclear y carbón).
Esto en teoría funciona, pero en la práctica es difícil construir un manto que sea eficiente y resistente al daño de los neutrones rápidos .
¿Cómo podemos mejorar los Tokamaks?
Aparte de los problemas relacionados con los mantos, todavía no hemos logrado Q > 1. Hay dos variables particularmente importantes en un reactor de fusión que podemos controlar para influir en la cantidad de energía que se libera en un reactor de fusión :
- R: El radio del Tokamak
- B: La fuerza del campo magnético
Entonces, ¿qué tamaño deben tener los reactores para llegar a valores Q razonables? ITER es el mayor experimento científico internacional jamás realizado con el objetivo de alcanzar Q = 10. ¿Qué tamaño tiene el reactor ITER?
¿Puedes ver la persona en la parte inferior? Esta cosa es ENORME.
Debido a su tamaño, ITER ha costado decenas de miles de millones de dólares y está tardando décadas en construirse . ¿Recuerdas la gráfica Q de antes? ¿Te preguntas por qué se detuvo? ¡Ahora lo sabes! Los reactores se hicieron demasiado grandes, lo que significa que su construcción lleva demasiado tiempo.
El número en el eje Y aquí es el llamado “producto triple de fusión”. Es un indicador aproximado de cuánta energía produce un reactor de fusión y se define como el producto de los tres atributos clave de cualquier reactor de fusión:
ITER es un experimento científico, no un reactor comercial . Un reactor comercial probablemente necesitaría ser aún más grande . Claramente, aumentar el radio (R) no es prometedor. ¿Qué pasa con la fuerza del campo magnético (B)?
¿Podríamos hacer reactores más pequeños y más baratos usando imanes más fuertes?
La inducción de un campo magnético requiere que pasemos una corriente a través de las bobinas electromagnéticas en el Tokamak. En la mayoría de los materiales, la corriente consume energía porque parte de la electricidad se pierde en forma de calor debido a la resistencia . Sin embargo, algunos materiales, llamados superconductores, tienen la capacidad de dejar pasar una corriente a través de ellos sin pérdida de calor, ya que no hay resistencia a la corriente.
Un trabajo reciente en un tipo de imán superconductor llamado REBCO (óxido de cobre y bario de tierras raras), ¡ha permitido que la fuerza del campo magnético, ’B’, casi se duplique ! El factor limitante es ahora la durabilidad del acero y del hormigón que mantienen todo unido (a plena potencia, los imanes destrozarían el reactor ).
El uso de imanes REBCO es probablemente un paso esencial en el camino hacia reactores de fusión asequibles con Q > 1 .
Es importante destacar que ITER todavía usa los superconductores viejos y más débiles .
Conclusión
La fusión siempre ha sido una u0022tecnología del futurou0022, pero realmente nos estamos acercando a Q = 1 .
Hay compañías privadas y laboratorios universitarios que están trabajando ahora para integrar imanes REBCO en los reactores de fusión Tokamak. Su progreso será un indicador crucial del potencial de la fusión , pero alcanzar Q > 1 no es el único problema en la investigación de la fusión.
Hay muchas cuestiones pendientes en la tecnología del manto fértil, la producción de tritio y la protección de los reactores. Esta es una enorme fuente de incertidumbre. Sin embargo, en las próximas décadas, es probable que descubramos si la fusión puede ser la fuente de energía limpia y abundante en que esperamos se convierta.
Capítulo siguiente
