Persigue a Taylor
La fusión nuclear es vista por muchos como el santo grial de la energía limpia y renovable.
Aunque se ha estudiado desde la década de 1920, los científicos aún no han superado los problemas tecnológicos ni la economía de este proceso que promete suministrar energía en el futuro.
Sin embargo, en 2025, los científicos planean poner en marcha el primer reactor de fusión que está previsto para producir más energía de la necesaria para funcionar. Eso demostrará el concepto de un contribuyente alternativo económicamente viable a la red eléctrica.
Llegar allí es un camino largo. El ingeniero nuclear Chase Taylor es científico senior en el Laboratorio Nacional de Idaho, una instalación de investigación nuclear. Está trabajando arduamente para resolver algunos de los problemas que harán posible un reactor de fusión comercialmente viable.
Las centrales eléctricas generan electricidad convirtiendo energía mecánica, como la rotación de una turbina en energía eléctrica. Las plantas dependen de combustibles fósiles, fisión nuclear o fuentes renovables como la hidroeléctrica para mover las turbinas.
La fisión alimenta los actuales reactores nucleares productores de electricidad. La fisión nuclear libera energía térmica dividiendo átomos. La energía producida por la reacción calienta el agua, que produce vapor para hacer girar turbinas y, en última instancia, electricidad.
La fisión tiene muchas ventajas. Proporciona una energía muy fiable, de bajas emisiones, es de larga duración y tiene la tasa anual de mortalidad más baja de cualquier recurso energético. Está bien comprendido, y los sistemas avanzados de reactores de fisión pueden amplificar aún más sus beneficios en paquetes más pequeños con un rendimiento de seguridad aún mayor que los diseños actuales.
Los sistemas de reactores de fisión pueden ser peligrosos cuando están mal diseñados o gestionados, como han demostrado los acontecimientos en Chernóbil y Fukushima. Las plantas a gran escala tienen una alta inversión inicial de capital y sus residuos requieren almacenamiento a muy largo plazo si no se utilizan esfuerzos de reciclaje.
El proceso de fusión
La fusión, un proceso separado, es una reacción nuclear en la que núcleos atómicos de baja masa se fusionan para formar un núcleo más pesado con la consiguiente liberación de energía. Es lo que alimenta al sol.
Un reactor de fusión utiliza isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio, como combustible. Los isótopos son variaciones de un elemento químico con diferentes cantidades de neutrones en el núcleo.
El suministro de combustible de fusión es prácticamente ilimitado. Los científicos pueden producir tritio durante la reacción de fusión en contacto con el litio, y el deuterio puede encontrarse en el agua de mar. Aunque el agua de mar tiene una pequeña fracción del elemento, el combustible de fusión llena nuestros océanos, proporcionándonos un suministro de combustible prácticamente ilimitado. Otro beneficio de la fusión es que un reactor de fusión no puede sufrir un evento nuclear catastrófico y descontrolado, como una fusión.
"No es posible. Incluso en la posibilidad más remota", dijo Taylor. "No es que esté diseñado para ser seguro, es simplemente la física de la fusión. Simplemente, si algo sale mal, la reacción de fusión se detendrá. Eso es en realidad lo que hace que la fusión sea tan desafiante."
Pero la fusión tiene algunos inconvenientes. Controlar una reacción de fusión ha resultado difícil. La bomba de hidrógeno se basa en una reacción de fusión incontrolada. Si la misma cantidad de energía pudiera liberarse gradualmente y de forma controlada, la fusión podría estar a la altura de su promesa.
La fusión también provoca daños por radiación en los sistemas de la planta y algunos residuos radiactivos, y inicialmente tendrá altos costes operativos.
La fusión utiliza estos isótopos en un plasma, un tipo de gas en movimiento que responde a campos eléctricos, como el gas de las luces fluorescentes. Un reactor de fusión calienta ese gas a temperaturas extremadamente altas y lo comprime con imanes.
Pero parte del material se escapa y golpea las baldosas de armadura de tungsteno que recubren las paredes dentro del reactor en forma de donut. Un reactor de fusión produce neutrones, que pueden penetrar profundamente en las paredes y crear un camino para que el deuterio y el tritio sigan. Eso es una ineficiencia en el proceso y un posible problema de seguridad.
"Nos interesa ver cuánto de ese deuterio y tritio que debería usarse como combustible se queda atascado en las baldosas de tungsteno, y qué profundidad está atrapado en las baldosas", dijo Taylor.
Desde un punto de vista regulatorio, los operadores están limitados a una cierta cantidad de deuterio y tritio en una instalación. Pero esos isótopos están pensados para ser usados como fuente de energía. Si parte de él queda atascado en las paredes del recipiente del reactor, el deuterio y el tritio no están disponibles para generar calor y, eventualmente, electricidad. Sin embargo, sigue contando contra el límite regulado por el operador. Eso es un problema de eficiencia que debe superarse.
"Estudiando cuánto deuterio y tritio penetran las paredes y cuán profundamente, podemos comprender mejor este proceso", dijo.
HORIBA GD-Profiler 2(TM)
Existen dos técnicas estándar para medir la cantidad total de tritio que penetra en las paredes. Una es calentando la muestra de baldosas y herviendo todo el deuterio y tritio atrapados. Los científicos realizan la medición con un espectrómetro de masas cuadrupolar. Pero eso no dice nada sobre la profundidad de los isótopos atrapados en la muestra.
La segunda técnica, algo menos disponible, es el análisis de reacciones nucleares. Desafortunadamente, eso se limita a solo unas pocas micras de profundidad, entre tres y ocho micras en el tungsteno. No puede ver nada más profundo que eso.
"Algunas publicaciones estiman que la técnica (análisis de reacción nuclear) pasa por alto hasta el 90 por ciento del total de deuterio o tritio que queda atrapado en la muestra", dijo Taylor. "Así que es difícil decir, en un caso de accidentes, basándonos en esa técnica, cuánta cantidad de deuterio y tritio está realmente atrapada."
Taylor buscó una técnica que fuera sensible y que le permitiera examinar mucho más a fondo la muestra.
Ahí es donde entra en juego la Espectrometría de Emisión Óptica por Descarga Luminosa (GD-OES). Mide los elementos presentes en la muestra, a qué niveles de concentración y, por supuesto, hasta qué punto los materiales han penetrado en las baldosas de tungsteno.
GD-OES se excava en la muestra, caracteriza su composición y mide la profundidad de penetración de las sustancias radiactivas.
"Muy pocas técnicas son siquiera sensibles al deuterio y al tritio", dijo Taylor. "Pero la espectroscopía de emisión óptica es una de esas técnicas que es sensible a ella. Y esta técnica también nos permite mirar rápidamente hasta cien micras en la muestra, lo que supera con creces las capacidades que actualmente se consideran estándar en la comunidad de materiales de fusión."
También ayuda a determinar si el deuterio y el tritio salen por la parte trasera, atraviesan las baldosas o simplemente se quedan en el centro.
Taylor utiliza un instrumento GD-OES HORIBA GD-Profiler 2 para su análisis.
El GD-Profiler 2 proporciona un análisis rápido y simultáneo de todos los elementos de interés, incluyendo nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y cloro. Es una herramienta ideal para la caracterización de películas finas y gruesas y estudios de procesos.
"Es básicamente para gestionar el ciclo del combustible de fusión", dijo.
Se producirá permeación o penetración. Saber hasta qué punto y qué profundidad tiene puede permitir a los científicos diseñar los sistemas para compensar la pérdida de isótopos.
"Si el deuterio o el tritio va a penetrar a través de la primera capa, entonces necesitamos controlar eso en la segunda capa detrás de esa", dijo.
Taylor opera un dispositivo de plasma lineal que simula la parte más energética de un reactor de fusión. Utiliza ese dispositivo de plasma lineal para implantar deuterio y tritio en baldosas de tungsteno.
"Sabemos cuánto deuterio y tritio tocó la baldosa", dijo. "Luego quitamos (el azulejo) y lo llevamos al sistema de descarga luminosa, medimos cuánto se quedó realmente atascado y a qué profundidad se quedó atascado."
Utiliza esa información para alimentar modelos y así los científicos pueden extrapolar a otras condiciones. Ayuda a construir una base de datos que muestre a qué nivel se filtraron los materiales en las paredes bajo diversas condiciones. Esas condiciones incluyen los flujos, es decir, cuántas partículas impactan en las casillas por segundo; la temperatura, que puede oscilar entre 200 y 1.200 grados Celsius; y la concentración de helio, un subproducto de la reacción de fusión.
Una enorme colaboración internacional llamada ITER – que significa "el camino o viaje" en latín – está construyendo un reactor de fusión en el sur de Francia. Los científicos diseñaron el reactor para demostrar la viabilidad de la fusión como fuente de energía a gran escala y libre de carbono.
ITER será el primer dispositivo de fusión en producir energía neta, cuando la potencia total producida supere la potencia necesaria para calentar el plasma. Se espera que sea el primer dispositivo de fusión en probar las tecnologías integradas, materiales y regímenes físicos necesarios para la producción comercial de electricidad basada en fusión.
Los colaboradores lanzaron el experimento conjunto en 1985. Los miembros de ITER incluyen China, la Unión Europea, India, Japón, Corea, Rusia y Estados Unidos.
"Si eso tiene éxito, entonces las entidades comerciales empezarán a desarrollar sus propios (reactores de fusión)", dijo Taylor. "Probablemente estamos a un par de décadas de eso, con problemas de desarrollo y regulación."
En la universidad, Taylor hacía unas prácticas relacionadas con la fisión.
"Asistí a un seminario de almuerzo sobre fusión y, de verdad, se me quedó la mandíbula en blanco. Hasta ese momento no había oído hablar de la fusión."
La enorme complejidad de la ciencia que implica la fusión le atraía.
"Tenía pensado ir a la escuela de posgrado, y el verano siguiente conseguí unas prácticas en fusión. Eso fue bastante guay."
Taylor obtuvo sus títulos de máster y doctorado en ingeniería nuclear, y su investigación se centra en materiales de fusión. Ahora su futuro ayudará a determinar la salud del planeta.
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