La hoja de ruta hacia la planta de energía de fusión de EE. Ciencias

Un concepto para una planta piloto de fusión del Instituto de Tecnología de Massachusetts

Alexander Creely

Por Adrian Cho

Los planes para construir un prototipo de planta de energía de fusión en los Estados Unidos se han enfocado más estrictamente, ya que un nuevo informe establece un cronograma aproximado para la construcción de la planta multimillonaria y una estrategia para desarrollar su diseño. Estados Unidos debería esforzarse por iniciar la construcción del piloto para 2035 y tenerlo en funcionamiento para 2040, según un informe publicado esta semana por las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina (NASEM). Para cumplir con ese apretado calendario, el informe pide que el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ayude a financiar de dos a cuatro equipos que, en colaboración con la industria privada, desarrollarían para el 2028 diseños conceptuales diferentes.

“Es creíble y factible”, dice William Madia, vicepresidente emérito de la Universidad de Stanford, quien a menudo ha criticado los esfuerzos de fusión del DOE. Sin embargo, Edwin Lyman, director de seguridad de la energía nuclear en la Unión de Científicos Preocupados, señala que el informe también apunta a numerosas tecnologías clave que se encuentran en un bajo estado de preparación técnica y cuestiona si se pueden desarrollar a tiempo. “Al leer entre líneas, no sentí que te da mucha confianza en que estos horarios son realistas”, dice Lyman.

El calendario sugerido por el informe de 91 páginas, publicado el 17 de febrero, no refleja una evaluación de abajo hacia arriba de cuánto tiempo llevaría completar la I + D para un diseño en particular. Más bien, presenta una evaluación de arriba hacia abajo de cuándo la energía de fusión debe ser factible si las empresas de servicios públicos quieren incluirla a medida que avanzan hacia fuentes de energía libres de carbono para 2050. “El cronograma realmente se determinó a partir de las aportaciones de las empresas de servicios públicos”, dice Brian Wirth. , ingeniero nuclear de la Universidad de Tennessee, Knoxville, y uno de los 12 autores del informe. Madia predice que si la fusión no se ha mostrado factible para 2035, “perderá el tren” y se quedará fuera de la futura combinación de energía libre de carbono.

Ha aumentado el entusiasmo entre los investigadores de la fusión de EE. UU. Para construir un prototipo de planta de energía que finalmente aproveche la fusión nuclear, el proceso que impulsa al Sol, para generar electricidad. La idea surgió en 2018 en otro informe de NASEM que sugería que Estados Unidos mantendría su compromiso con ITER, el gigantesco experimento de fusión internacional que se está construyendo en Francia, pero también se preparó para construir una planta piloto nacional poco después. En diciembre de 2020, investigadores estadounidenses de la fusión adoptaron la planta piloto en su nuevo plan a largo plazo.

Usando campos magnéticos intensos, ITER atrapará un plasma de deuterio y tritio, los isótopos pesados ​​del hidrógeno, en una cámara de vacío en forma de rosquilla y calentada a 150 millones de grados Celsius. El experimento tiene como objetivo mostrar que la fusión de los núcleos de deuterio y tritio puede producir más energía de la que consume el plasma. La planta piloto iría un paso más allá y produciría cantidades útiles de electricidad.

Los partidarios de la propuesta dicen que la construcción de una planta piloto permitiría a los investigadores estadounidenses superar a los competidores en Europa y Asia y recuperar el liderazgo en la investigación de la fusión. Además, dicen, debido a los avances recientes en imanes hechos de superconductores de alta temperatura, impresión 3D y modelado por computadora, la planta podría ser mucho más pequeña y menos costosa que ITER, que mide 30 metros de altura y costará más de $ 20. mil millones.

La planta piloto no sería abrumadoramente poderosa. El nuevo informe prevé que producirá apenas 50 megavatios de energía eléctrica, un pequeño porcentaje de lo que puede generar una gran planta de gas. Eso es suficiente para ver cómo una planta de este tipo interactuaría con la red eléctrica, dice David Roop, ingeniero de DWR Associates LLC y autor del nuevo informe. “Este valor de al menos 50 megavatios le permite probar su capacidad para transferir energía a la red”, dice. La planta piloto no debería costar más de $ 5 mil millones o $ 6 mil millones, dice el informe, que es la cantidad que estima que las empresas de servicios públicos estarían dispuestas a pagar por la primera planta comercial siguiente, que generaría cientos de megavatios de energía.

Antes de que se pueda construir una planta piloto, se deben superar varios desafíos tecnológicos importantes, dice el informe. Por ejemplo, si la planta funciona como ITER y fusiona deuterio y tritio (hay algunas otras posibilidades), los investigadores también deben desarrollar una forma de generar más tritio en una “manta” de material especialmente diseñada que rodea el reactor. De lo contrario, la planta podría consumir rápidamente todo el suministro mundial de tritio, que proviene solo de ciertos reactores nucleares. Si la capa contiene litio, los neutrones dividirán algunos de esos núcleos para formar más tritio. Pero el tritio es una sustancia radiactiva altamente regulada que es difícil de manejar, y Lyman cuestiona si un sistema tan cerrado puede desarrollarse para 2035.

El debate sobre el cronograma refleja las tensiones sobre el advenimiento de nuevas empresas privadas de fusión, que presumiblemente se asociarían con DOE para desarrollar las ideas que ya tienen. Algunas startups han atraído el interés de multimillonarios de alta tecnología. Por ejemplo, Bill Gates respalda a Commonwealth Fusion Systems, cuyas ideas se centran en el uso de bobinas magnéticas hechas de superconductores de alta temperatura, y Jeff Bezos respalda a General Fusion, que utiliza bombas mecánicas para apretar y calentar un plasma. Tal inversión privada es una razón clave por la que Madia dice que es optimista sobre la planta piloto. “Cuando se involucran tipos como Bill Gates y Jeff Bezos, hacen cosas interesantes”, dice.

Pero las empresas emergentes de fusión prometen más de lo que pueden ofrecer, argumenta Lyman. Le preocupa que los inversores familiarizados con la economía de alta tecnología, en la que el fracaso puede no ser fatal, puedan estar adoptando la misma actitud de alto riesgo hacia la investigación energética intensiva en capital, que es mucho menos indulgente. “Piensan que pueden tener una idea y enriquecerse con la idea sin que realmente se cumpla”, dice Lyman. Desarrollar un reactor de fusión “no es algo que pueda hacer en su garaje, por lo que debe tener cuidado con esa mentalidad”. Lyman también advierte que las empresas emergentes de fusión están pidiendo a la Comisión Reguladora Nuclear que relaje los requisitos de seguridad de formas que, según él, no están justificadas.

Aún así, el llamado del informe para formar equipos público-privados para desarrollar los diversos conceptos para una planta piloto sería muy beneficioso, dice Steven Cowley, director del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton, el laboratorio de fusión del DOE. “Estados Unidos necesita tener su propia versión del diseño de un reactor de fusión para ver qué es y qué tan cerca estamos”, dice Cowley. “Creo que hay un gran valor en eso”.

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