¿Te imaginas cómo podríamos replicar un Sol en la Tierra? Sí, así es, hablamos -nada más y nada menos- que del Sol, la estrella que, a pesar de ser la más cercana a nuestro planeta, se ubica a casi 150 millones de kilómetros, y cuyo núcleo posee una temperatura aproximada de 15 millones de grados centígrados.
Lo primero que debemos saber es que toda esa energía liberada por el Sol, en forma de luz y calor, se origina en su núcleo, como resultado de reacciones nucleares de fusión. Estas reacciones son protagonizadas por núcleos de hidrógeno que chocan entre sí y se fusionan, dando lugar a un núcleo más pesado de helio y liberando energía, que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética.
Todo lo anterior es para contextualizar un hito que se produjo el martes 28 de julio, en Cadarache, Francia, donde se inauguró la fase de ensamblaje del Reactor Experimental Termonuclear ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), cuyo objetivo es producir energía neta a partir de la fusión nuclear. En simples palabras, consiste en reproducir un Sol en la Tierra.
Ya lo decíamos: este proceso de fusión nuclear es la forma en que las estrellas producen energía y para ello, requiere como combustible dos tipos de hidrógeno, los isótopos deuterio y tritio. El deuterio es abundante en el agua de mar (33 miligramos de deuterio por litro) y el tritio -escaso en forma natural- es posible de obtener a partir del litio.
En qué consiste ITER
La idea de desarrollar un proyecto colaborativo de esta envergadura nació en 1985. Tres años más tarde, se firmó el primer acuerdo internacional y se inició su diseño conceptual. Hoy, ya se construye en Francia el experimento de fusión nuclear por confinamiento magnético (tokamak, máquina diseñada para investigar la fusión nuclear controlada) más grande del mundo.
Este ambicioso proyecto reúne a 35 países, quienes aportan un presupuesto que supera los 24 mil millones de dólares, dividido en millonarias cuotas y en proyectos de investigación científica, cuyos resultados son compartidos a todos los miembros.
Su objetivo es construir el primer reactor de fusión nuclear de 500 MW, capaz de funcionar en forma continua durante ocho minutos, produciendo más energía de la que consume. Esto se traduce en una ganancia de energía de Q=10. Un dato: Q es el factor de multiplicación de potencia, lo que quiere decir que al inyectar una potencia de 50 MW a un experimento, este debe producir 10 veces más potencia, es decir, 500 MW.
Pero no es tan fácil como suena, porque para lograr ese objetivo, ITER debe ser capaz de producir los 500 MW de potencia de fusión nuclear y, hasta ahora, el récord es de Q=0.67, alcanzado por el Joint European Torus de Reino Unido que, en el año 1997, logró 16 MW de potencia de fusión, a partir de 24 MW de potencia introducida al plasma. Como dijimos anteriormente, ITER está diseñado para producir un factor de multiplicación Q=10, que significa 500 MW de energía de fusión a partir de 50 MW de potencia introducida al plasma.
Y, aunque su objetivo no es transformar esa energía en energía eléctrica, sí será capaz de demostrar que es posible producir energía neta a partir de la fusión nuclear, y también que es factible integrar los experimentos actuales de fusión a escala menor con las operaciones que desarrollan las plantas de fusión nuclear de potencia, junto con probar tecnologías de calentamiento, control, diagnóstico, criogenia (técnicas de enfriamiento) y mantención remota.
Otro de sus desafíos serán las pruebas de producción de tritio en un ambiente de fusión, a partir de las paredes del reactor que incluyan litio. Para recordar, el tritio se produce por el bombardeo de blancos de litio con neutrones libres.
Finalmente, esta iniciativa también permitirá demostrar las características de seguridad con que operan los dispositivos de fusión, e igual de importante, su mínimo impacto en el medio ambiente.
El desafío de la ingeniería y los materiales
Un reactor de fusión es un auténtico ejemplo de ingeniería extrema. ¿Qué tal si te contamos que alcanza temperaturas incluso superiores a las del Sol (100 millones de grados)? Y más aún, que debe operar bajo condiciones de confinamiento magnético, que significa mantener confinado el plasma, para que permanezca unido, circulando solo por rutas predefinidas, sin contacto con las paredes del reactor, para así mantener una temperatura y densidad plasmática óptimas para la fusión.
Precisamente, la energía que se genera a partir de los neutrones liberados durante la fusión, es absorbida por el cobertor de litio que rodea al aparato, y que se usa para generar tritio.
En esa línea, parte de los desafíos implica el estudio de todos estos materiales, que están sometidos constantemente a la intensa radiación de los neutrones y a potentes choques de calor. Por eso, hoy se están diseñando materiales destinados a esta primera pared, que podrían ser capaces de resistir seis veces más calor que los actuales.
Fusión Nuclear: ¿qué hacemos en la CCHEN?
En el mundo se realizan diversos experimentos que aportan a la investigación del confinamiento magnético, confinamiento inercial, de ciencias de materiales y de la física básica relacionada con la fusión nuclear, solo por nombrar algunos.
En particular, los investigadores del Laboratorio de Física de Plasmas y Fusión Nuclear de la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN), investigan fusión en experimentos pequeños, siendo líderes mundiales en el escalamiento y miniaturización de equipos plasma focus, con los que se obtiene plasmas con la misma densidad y temperatura que en las grandes instalaciones de plasma focus del mundo. Ver más.
Entre los resultados más importantes que hemos obtenido como laboratorio, está el desarrollo de equipos miniaturizados de plasmas (caben sobre una mesa), que generan reacciones de fusión nuclear y, además, choques de plasmas que, al interactuar con un material, producen un daño equivalente al que se espera en ITER. Para entender lo que implica este “daño”, debemos comprender que, aun cuando el plasma esté confinado, se producirán llamaradas y choques de plasma que llegarán a las paredes de este reactor, con una potencia y energía equivalente a un vagón de 100 toneladas que choca con una pared a 220 km/hora.
Leopoldo Soto, Doctor en Física e investigador del Laboratorio de Física de Plasmas y Fusión Nuclear, explica que “lo que hacemos es producir la misma cantidad de energía por unidad de volumen que en los grandes experimentos de fusión del mundo, tipo plasma focus, pero en equipos 10 mil veces más pequeños, prácticamente el mismo escenario físico pero a un considerable menor costo. Varios países se han inspirado en nuestras investigaciones y realizan experimentos similares a los nuestros”.
Tal como te contábamos, si bien ya comenzó el ensamblaje del proyecto en Francia, aún no se desarrollan en el mundo los materiales con que se recubrirá la pared interna del reactor, aquella que deberá resistir los choques y llamaradas de plasmas.
Los equipos pequeños y miniaturizados desarrollados en la CCHEN permiten estudiar el efecto en nuevos materiales en condiciones equivalentes a las que se espera tener en ITER (ver aquí). Por eso, nuestros investigadores también desarrollan modelos teóricos relativos al efecto en materiales sometidos a estas condiciones extremas de choque y calor.
Para entender de manera sencilla y entretenida qué es la fusión nuclear y conocer las investigaciones realizadas en materiales para reactores de fusión nuclear, te invitamos a visitar el Canal Ciencia Entretenida de nuestros investigadores.
Todas estas investigaciones se desarrollan en el marco de proyectos financiados por FONDECYT, proyectos Anillos de la ANID y proyectos del Organismo Internacional de Energía Atómica, entre otros.
El Laboratorio de Física de Plasmas y Fusión Nuclear de la CCHEN está integrado por los investigadores, Dr. Leopoldo Soto (Director del proyecto Anillo ACT-172101), Dr. Cristian Pavez, Dr. Sergio Davis, Dr. José Moreno, Dr. Biswajit Bora, Dr. Gonzalo Avaria, Dr. Jalaj Jain, Dr. Rodrigo Andaur y por el profesional de apoyo técnico Sr. Marcelo Vásquez.
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Créditos: Foto de portada(archivo de Wikimedia Commons | Autor: OAK Ridge National Laboratory), Foto Países Participantes(Inkscape).