18 de Febrero de 2022

Un reactor de fusión nuclear bate un récord de energía

El experimento europeo JET ha logrado duplicar la máxima energía total generada a partir de la fusión de átomos.

El reactor del Toro Conjunto Europeo (JET), situado cerca de Oxford, constituye un banco de pruebas para el experimento de fusión más grande del mundo, ITER, que se está construyendo en Francia. [Christopher Roux (CEA-IRFM)/EUROfusion (CC BY 4.0)]

Un récord relacionado con la fusión nuclear que databa de hace 24 años acaba de ser pulverizado. Los científicos del Toro Conjunto Europeo (JET, por sus siglas en inglés), un experimento situado cerca de Oxford, Reino Unido, anunciaron el pasado 9 de febrero que habían generado el pulso de energía sostenida más intenso jamás obtenido a partir de la fusión de átomos, con una energía total más de dos veces superior a la que este mismo experimento había alcanzado en 1997.

«Estos resultados históricos representan un enorme paso hacia la conquista de uno de los mayores desafíos científicos y técnicos», señaló en un comunicado Ian Chapman, director del Centro de Energía de Fusión de Culham, donde se desarrolla JET. Aunque las instalaciones pertenecen a la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido, las operaciones científicas de JET corren a cargo de una colaboración europea llamada EUROfusion.

Si los investigadores lograsen dominarla, la fusión nuclear (el mismo proceso que produce la energía del Sol) podría proporcionar una fuente casi ilimitada de energía limpia, pero hasta ahora ningún experimento ha generado más energía de la que hay que inyectar. Los resultados de JET no cambian eso, pero sugieren que un nuevo reactor de fusión que empleará la misma técnica y mezcla de combustible (el ambicioso ITER de 20.000 millones de euros, que comenzará sus experimentos de fusión en 2025) podría acabar alcanzando ese objetivo.

«JET realmente ha cumplido con las predicciones. Los mismos modelos dicen ahora que ITER tendrá éxito», asegura Josefine Proll, física experta en fusión de la Universidad de Tecnología de Eindhoven que trabaja en un tipo distinto de reactor denominado stellarator. «Es una buenísima señal, y estoy emocionada.»

Dos décadas de trabajo

Los experimentos, la culminación de casi dos décadas de trabajo, son importantes para ayudar a los científico a predecir cómo se comportará ITER y a ajustar los parámetros de funcionamiento, señala Anne White, física de plasma del Instituto de Tecnología de Massachusetts que trabaja en tokamaks, reactores como JET que tienen forma de rosquilla. «Estoy segura de que no soy la única en la comunidad de expertos en fusión que quiere felicitar sinceramente al equipo de JET.»

JET e ITER usan campos magnéticos para confinar el plasma, un gas sobrecalentado de isótopos de hidrógeno, en el tokamak. Sometidos a calor y presión, esos isótopos se fusionan para dar helio, liberando energía en forma de neutrones.

Para batir el récord de energía, JET utilizó un combustible compuesto por partes iguales de tritio y deuterio, el mismo que alimentará el ITER, que se está construyendo en el sur de Francia. El tritio es un isótopo raro y radiactivo del hidrógeno; al fusionarse con el deuterio, produce muchos más neutrones que en las reacciones donde solo hay deuterio. Eso aumenta la energía generada, pero obligó a renovar JET durante más de dos años a fin de prepararlo para el embate. La última vez que se usó tritio en un experimento de fusión de tipo tokamak fue en 1997, cuando JET estableció el anterior récord.

Vídeo del pulso de energía récord generado en JET el 21 de diciembre de 2021. [Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido]

En un experimento realizado el 21 de diciembre de 2021, JET produjo 59 megajulios de energía total en un «pulso» de fusión de cinco segundos, más del doble de los 21,7 megajulios que se liberaron en 1997 durante unos cuatro segundos. Aunque el experimento de 1997 aún conserva el récord de energía máxima, ese pico duró solo una fracción de segundo y la potencia media no llegó a la mitad de la actual, subraya Fernanda Rimini, científica de plasma del Centro de Culham que supervisó la última campaña de experimentos. La mejora requirió 20 años de optimización experimental, así como actualizaciones del equipo que incluyeron reemplazar la pared interna del tokamak para desperdiciar menos combustible, explica.

Ganancia de potencia

Producir energía durante varios segundos es importante para comprender el calentamiento, el enfriamiento y el movimiento que tiene lugar dentro del plasma, algo que será crucial de cara al experimento ITER, apunta Rimini.

Cinco segundos «es algo grande», añade Proll. «Es realmente impresionante».

El año pasado, el Centro Nacional de Ignición del Departamento de Energía de EE.UU. estableció un récord de fusión diferente: usó tecnología láser para producir la mayor energía de fusión en relación con la energía inyectada para desencadenar el proceso, un valor llamado Q. (El valor Q = 1, conocido como ignición, implicaría que se genera tanta energía como la que se aporta.) La instalación produjo Q = 0,7, un hito para la fusión láser que superó el récord de JET de 1997. Pero el evento duró poco, produciendo tan solo 1,9 megajulios en menos de 4 milmillonésimas de segundo.

El último experimento de JET mantuvo un valor de Q = 0,33 durante cinco segundos, aclara Rimini. JET es una versión reducida de ITER, con una décima parte de su volumen: una bañera en comparación con una piscina, ilustra Proll. Pierde calor más fácilmente que ITER, así que nunca se esperó que alcanzara la ignición. Si los ingenieros aplicaran las mismas condiciones y el mismo enfoque físico al experimento ITER, afirma, probablemente alcanzaría su objetivo de obtener Q = 10, produciendo diez veces la energía aportada.

Los investigadores de fusión están lejos de tener todas las respuestas. Un problema pendiente, por ejemplo, es lidiar con el calor generado en la región de escape del reactor ITER. El área del escape de ITER será más grande que en JET, pero el aumento no será proporcional al incremento de potencia que tendrá que soportar. Se están llevando a cabo estudios para determinar qué diseño podría resistir mejor el calor, pero los investigadores aún no lo han dilucidado, admite Proll.

El experimento récord de JET acaeció el último día de una campaña de cinco meses, en la que, según Rimini, los científicos obtuvieron una gran cantidad de información que analizarán en los próximos años. Ese último experimento llevó el dispositivo al límite de sus posibilidades, agrega Rimini, que presenció la histórica prueba en directo. «No dimos saltos de alegría ni nos abrazamos —estábamos a 2 metros unos de otros—, pero fue muy emocionante.»

Los experimentos con tritio podrían ser el canto del cisne de JET. El año pasado, EUROfusion decidió poner fin a las operaciones del reactor a fines de 2023, 40 años después de que comenzaran. Y la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido ya ha anunciado que planea desmantelar el experimento. Los instrumentos y la experiencia de JET deberán buscar hogar en otros proyectos del Centro de Culham.

Elizabeth Gibney/Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

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