La transición a un modelo energético sostenible y más respetuoso con el medio ambiente en la que nos hemos embarcado como sociedad plantea muchos desafíos.
Uno de los más acuciantes requiere encontrar la forma de satisfacer nuestras necesidades energéticas sin provocar emisiones contaminantes, lo que ha colocado en el centro de atención a las dos fuentes de energía que encajan en este requisito: las renovables y la fisión nuclear.
Sin embargo, en el horizonte se perfila otra tecnología de obtención de energía extraordinariamente prometedora y de la que ya hemos hablado en muchas ocasiones en Xataka: la fusión nuclear.
Los retos que es necesario superar para poner a punto el primer reactor de fusión comercial son numerosos, pero este es, precisamente, el propósito de ITER, IFMIF-DONES y DEMO: guiarnos con paso firme hacia la fusión nuclear comercial.
EUROfusion, que es la organización europea que supervisa y coordina el proyecto ITER, ha definido un itinerario que prevé hacer posible la fusión nuclear comercial durante la década de los 60. El próximo gran hito en este camino llegará, si todo sigue su curso, en 2025.
Este será el año en el que los técnicos finalizarán el ensamblaje del reactor de fusión nuclear y llevarán a cabo las primeras pruebas con plasma. Pero parece que otro proyecto podría adelantárseles. Y su respaldo económico procede de la iniciativa privada.
Helion Energy es una empresa emergente muy joven (fue fundada en 2013), pero, como veremos más adelante en este artículo, ya ha alcanzado algunos hitos importantes vinculados a la tecnología involucrada en la fusión nuclear. Su propósito es llegar a la fusión comercial muy pronto. Anticiparse a todos los demás.
De hecho, planea demostrar que su reactor de fusión nuclear es capaz de sostener la reacción, generar un beneficio energético neto y producir electricidad en 2024. Si lo cumple, algo que aún está por ver, logrará adelantarse un año a las primeras pruebas con plasma de ITER.
Curiosamente, la aproximación a la fusión nuclear de Helion es diferente a la de ITER. La geometría de su reactor no responde al diseño tokamak utilizado por este último, y el combustible que utiliza no es una combinación de deuterio y tritio, sino una mezcla de deuterio y helio-3.
Eliminar el tritio de la ecuación es importante porque, al parecer, ha permitido a los ingenieros de Helion esquivar algunos de los desafíos que más quebraderos de cabeza están dando a los técnicos de ITER en el ámbito de la ingeniería. Y es que, en realidad, los retos que pone ante nosotros hoy la fusión nuclear no los plantea la ciencia básica; es la ingeniería la que debe enfrentarse a ellos.
Así funciona el reactor de fusión nuclear que propone Helion
Antes de seguir adelante merece la pena que nos detengamos un momento para indagar brevemente en el respaldo económico con el que cuenta esta empresa. Y es que no cabe duda de que un proyecto de esta envergadura requiere estar impulsado por un músculo financiero sólido y muy robusto que sea capaz de inyectar el capital necesario para hacerlo posible.
Helion recibirá una financiación adicional de 500 millones de dólares, y tiene pactados 1700 millones más
Y sí, parece que Helion lo tiene. A principios de este mes anunció que a corto plazo recibirá una financiación adicional de 500 millones de dólares, y tiene pactados 1700 millones más a medio plazo vinculados a la consecución de varios hitos.
No obstante, esta empresa cuenta desde hace ya varios años con el respaldo financiero de varios inversores muy importantes. Dustin Moskovitz, el cofundador de Facebook; Peter Thiel, el cofundador de PayPal junto a Elon Musk; Sam Altman, el director general de OpenAI; y las entidades de capital riesgo Mithril, Y Combinator y Capricorn dan forma a su músculo financiero.
Las soluciones tecnológicas que han ideado los ingenieros de Helion son muy ingeniosas. Al menos lo son sobre el papel. Su reactor toma algunos de los principios fundamentales de la fusión nuclear mediante confinamiento magnético utilizada por ITER, y también varias ideas de la fusión por confinamiento inercial respaldada sobre todo por el experimento NIF (National Ignition Facility) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, situado en California (Estados Unidos). Pero, como he mencionado unos párrafos más arriba, su aproximación es muy original.
En la recreación que publicamos debajo de estas líneas podemos ver la peculiar geometría del reactor de fusión nuclear que han ideado los ingenieros de Helion. Para desencadenar la reacción es necesario introducir el combustible constituido inicialmente por el deuterio, y posteriormente también por el helio-3, en las dos cámaras laterales, que, como podemos ver, tienen un volumen sensiblemente superior al de la cámara central en la que finalmente tendrá lugar la fusión nuclear.
El deuterio es un isótopo del hidrógeno cuyo núcleo contiene un protón y un neutrón, y es muy abundante en nuestro planeta porque se encuentra presente en todas las formas de agua, incluidos, por supuesto, los mares y océanos. El helio-3, sin embargo, es extraordinariamente escaso en la Tierra.
El helio-3 es un subproducto de la fusión nuclear, de manera que las «cenizas» de este proceso se reutilizan como parte del combustible
Como explicamos con detalle en el artículo que enlazo aquí mismo, es muy interesante introducir este elemento en la ecuación de la fusión nuclear debido a que si reemplazamos el núcleo de tritio utilizado en la fusión por un núcleo de helio-3 cambiaremos el neutrón de alta energía resultante por un protón, que es mucho más fácil de manejar gracias a su carga eléctrica positiva. De esta forma es posible evitar en cierta medida la degradación y la irradiación de los materiales utilizados en el revestimiento de las cámaras de vacío del reactor de fusión.
El problema es que, como hemos visto, en la Tierra apenas hay helio-3, y traerlo desde la Luna, en donde es mucho más abundante, actualmente es impracticable. Además, para rizar el rizo, su producción industrial a partir de la desintegración radiactiva (beta) del tritio es muy cara. ¿Cómo esperan entonces obtenerlo los técnicos de Helion? De una forma ingeniosa: el helio-3 es un subproducto de la fusión nuclear del deuterio, de manera que las «cenizas» de este proceso se reutilizan como parte del combustible, dando lugar a un ciclo cerrado que permite en cierta medida regenerar el propio combustible utilizado en la reacción.
Una vez que ha sido introducido en el interior de las cámaras laterales del reactor nuclear es necesario calentar el combustible hasta que alcance una temperatura de nada menos que 100 millones de grados centígrados. A esta temperatura el deuterio y el helio-3 adquieren el estado de plasma, que no es otra cosa que un gas extremadamente caliente. De mantener el plasma confinado en el interior de la cámara de vacío y de evitar que entre en contacto directo con las paredes del contenedor se responsabiliza un campo magnético que tiene una intensidad altísima.
No obstante, el campo magnético generado en las cámaras laterales del reactor no se responsabiliza únicamente de confinar el plasma; también se opone al campo magnético interno del propio plasma, de manera que la presión a la que es sometido el combustible es brutal. Para que la fusión de los núcleos de deuterio y helio-3 tenga lugar deben darse unas condiciones de temperatura y presión muy exigentes, de ahí que sea necesario calentar el plasma hasta que alcance los 100 millones de grados centígrados que he mencionado en el párrafo anterior, y también someterlo a una presión tremenda.
Para que la fusión de los núcleos de deuterio y helio-3 tenga lugar deben darse unas condiciones de temperatura y presión muy exigentes
Sin embargo, curiosamente, el reactor de fusión nuclear de Helion no necesita que el campo magnético externo sea tan potente como el utilizado por ITER. Según sus técnicos la eficiencia de su tecnología de confinamiento magnético, y también la presión que obtienen como resultado de la interacción que se produce entre el campo magnético externo y el campo magnético interno del plasma, provocan que 10 teslas de su tecnología sean equiparables a 44 teslas en un reactor de fusión nuclear con geometría tokamak convencional.
En cualquier caso, ¿qué sucede cuando el plasma alcanza la temperatura óptima y es sometido a la presión adecuada? Sencillamente, en ese momento el gas extremadamente caliente de las dos cámaras laterales es proyectado hacia la cámara central con la energía cinética necesaria para que se den en su interior las condiciones de presión y temperatura imprescindibles para que la fusión de los núcleos de deuterio y helio-3 tenga lugar. Aquí tenemos, por fin, la tan ansiada fusión nuclear.
A medida que el plasma se va expandiendo en el interior de la cámara central su campo magnético interno se va oponiendo al campo magnético externo. Según la ley de Faraday la interacción entre estos dos campos induce la aparición de una corriente eléctrica que es capturada de forma directa por el equipamiento vinculado al reactor nuclear para generar electricidad.
El método de generación de la electricidad utilizado por Helion es más eficiente que el de ITER porque evita la mediación de muchos pasos intermedios
Como acabamos de ver, la forma en que produce la electricidad el reactor nuclear de Helion es muy diferente a la estrategia utilizada por ITER. En este último reactor la energía térmica resultante de la fusión se emplea para calentar agua, y a partir de este punto el proceso de generación de la electricidad es esencialmente el mismo utilizado en una central nuclear de fisión actual.
Sobre el papel el método de generación de la electricidad utilizado por Helion es más eficiente que el de ITER porque evita la mediación de muchos pasos intermedios que se responsabilizan de transformar un tipo de energía en otro. En cada una de esas fases una parte de esa energía se disipa, habitualmente en forma de calor, por lo que la eficiencia del proceso que se encarga de generar la electricidad se resiente.
Qué ha conseguido esta empresa hasta ahora y qué preguntas deja en el aire
Todo lo que hemos visto hasta ahora nos invita a aceptar que las soluciones que propone Helion en el ámbito de la ingeniería son ingeniosas. Y los fundamentos físicos que subyacen bajo ellas son sólidos. Además, tiene a su favor varios hitos importantes en los que merece la pena que indaguemos brevemente. En 2020 sus ingenieros completaron el ensamblaje de Trenta, su sexto prototipo de reactor de fusión nuclear.
Trenta ha sido capaz de generar casi 10 000 pulsos de alta energía, y también de sostener la reacción durante periodos de algo más de 1 ms
Durante los últimos dieciséis meses esta máquina ha sido capaz de generar casi 10 000 pulsos de alta energía, si nos ceñimos a las cifras que nos ofrece Helion, y también de sostener la reacción de fusión nuclear durante un periodo ligeramente mayor que 1 ms. Puede parecer muy poco tiempo, pero en este contexto y con la tecnología que tenemos actualmente es una eternidad. No cabe duda de que lo que tiene entre manos esta empresa pinta bien.
Sin embargo, entre la teoría y la práctica a menudo hay una distancia enorme. Sobre todo si Polaris, que es como se llamará el próximo prototipo de reactor de fusión nuclear de Helion, debe estar listo en 2024 para demostrar su capacidad de sostener la reacción y generar un beneficio energético neto. Parece que los técnicos de esta empresa lo tienen todo bastante bien atado, pero hay algunos interrogantes que merece la pena que no pasemos por alto.
Polaris tendrá necesariamente que demostrar que es capaz de producir helio-3 de una forma eficiente a partir de la fusión de los núcleos de deuterio. También tiene por delante el enorme desafío de sostener la fusión nuclear durante el tiempo suficiente para demostrar que es capaz de generar una pequeña cantidad de electricidad. Y por último y no menos importante tendrá que generar pulsos de fusión con una cadencia de 1 Hz (uno por segundo). No parece nada fácil, pero si Helion lo logra daremos un paso hacia delante decisivo hacia la tan ansiada fusión nuclear comercial.
Más información | Helion Energy
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