En diciembre pasado, los investigadores de la Instalación Nacional de Ignición de California lograron lo que muchos en la industria de la fusión han llamado el momento de los "hermanos Wright". Usando un láser, aplicaron un pulso de energía de microsegundos a un recipiente dorado y recibieron un dividendo a cambio: aproximadamente un 50 por ciento más de energía de la que pusieron. Esa hazaña se llama ignición, y es un triunfo que se ha esperado desde la década de 1970. . La tecnología perpetua de 30 años de energía de fusión de repente parece más cercana.
Bueno, no mucho más cerca. El experimento de ignición aún consumía energía en general, porque el láser quemó mucha más energía de la que entregó a su objetivo. Y todavía queda mucho por descubrir sobre cómo aprovechar la energía de fusión para producir electricidad. Pero el resultado ha provocado un resurgimiento de las predicciones establecidas desde hace mucho tiempo de que la fusión resolverá todas las necesidades energéticas de la humanidad. Las nuevas empresas que trabajan en fusión han informado de un aumento del interés de los inversores este año. El gobierno de EE. UU. ha anunciado un récord de 1400 millones de dólares en financiación para la investigación, el comienzo de un impulso de 10 años hacia la fusión práctica. La recompensa potencial es grande: descubra la ciencia, dice la sabiduría, y la fusión desbloqueará "energía limpia ilimitada".
En muchos sentidos, eso es exacto. Solo mira hacia arriba, a esa bola ardiente en el cielo. Le quedan 5 mil millones de años en el tanque. Varios programas nacionales, un gran esfuerzo internacional llamado ITER y al menos 40 empresas privadas están tratando de encender simulacros de ese proceso aquí en la Tierra. El objetivo es juntar átomos, generalmente dos átomos de hidrógeno, formando helio, y en el proceso perder un poco de masa que, debido a que e = mc 2 , también significa liberar energía. Así que puedes argumentar que la energía de fusión es tan ilimitada como átomos de hidrógeno hay en el universo.
Cuando lo pones de esa manera, los parques eólicos y los paneles solares también pueden parecer ilimitados, alimentados por una corriente infinita de ondas de presión y fotones. En realidad, por supuesto, están limitados por preocupaciones prácticas. Permisos. Financiación. La construcción y las cadenas de suministro que producen palas de turbinas y películas fotovoltaicas. Las restricciones de una red complicada que exige energía en los momentos equivocados o no tiene cables en los lugares correctos.
Es por eso que, a medida que avanza la física, algunos comienzan a explorar los posibles límites prácticos y económicos de la fusión. La primera conclusión es que la energía de fusión no va a ser barata, ciertamente no será la fuente de electricidad más barata en las próximas décadas a medida que se conecten más energía solar y eólica. Pero la fusión aún puede encontrar su lugar, porque la red necesita energía en diferentes formas y en diferentes momentos.
“Me preguntaba cómo diablos podría la fusión competir económicamente con las increíbles ganancias de la energía renovable”, dice Jacob Schwartz, físico del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton. Fue una pregunta que inspiró un cambio de trabajo en los detalles sobrecalentados de la ingeniería de fusión a la economía de la red energética. En un artículo publicado este mes en la revista Joule , Schwartz y sus colegas aprovecharon un modelo sofisticado de la red de EE. UU. entre 2036 y 2050 para estudiar las condiciones bajo las cuales sería económico construir plantas de fusión por valor de 100 gigavatios, suficiente para alimentar aproximadamente 75 millones de hogares. Básicamente, ¿qué tan barata tendría que ser la fusión para construirla?
Los resultados sugieren que la respuesta podría variar mucho según el costo y la combinación de otras fuentes de energía en la red descarbonizada, como las energías renovables, la fisión nuclear o las plantas de gas natural equipadas con dispositivos de captura de carbono. En la mayoría de los escenarios, parece probable que la fusión termine en un nicho muy parecido al que ocupa hoy la fisión nuclear, aunque sin los mismos dolores de cabeza por la seguridad y el desperdicio. Ambos son esencialmente sistemas gigantescos que utilizan una gran cantidad de equipos especializados para extraer energía de los átomos para que puedan hervir agua y hacer funcionar turbinas de vapor, lo que significa altos costos iniciales. Pero si bien la electricidad que proporcionan puede ser más costosa que la de las energías renovables como la solar, esa electricidad es limpia y confiable independientemente de la hora del día o el clima.
Entonces, en esos términos, ¿puede competir la fusión? El objetivo del estudio no era estimar los costos de un reactor individual. Pero la buena noticia es que Schwartz pudo encontrar al menos un diseño que podría producir energía por el precio correcto: el Aries-AT, un modelo relativamente detallado de una planta de energía de fusión esbozada por físicos de UC San Diego a principios de la década de 2000. Es solo un punto de comparación, advierte Schwartz, y otras plantas de fusión pueden muy bien tener diferentes perfiles de costos, o encajar en la red de manera diferente dependiendo de cómo se utilicen. Además, la geografía importará. En la costa este de los EE. UU., por ejemplo, donde los recursos de energía renovable son limitados y la transmisión está restringida, el modelo sugirió que la fusión podría ser útil a precios más altos que en el oeste. En general, es justo imaginar un futuro en el que la fusión se convierta en parte de la “dieta de energía variada” de la red eléctrica estadounidense, dice.
En un análisis anterior de 2021, Samuel Ward, entonces físico de la Universidad de York, y sus colegas desarrollaron una perspectiva más cautelosa. Describen una serie de escenarios que podrían dejar de lado la fusión, algunos de los cuales pueden ser buenas noticias para el mundo: que la energía eólica y solar pueden hacer gran parte del trabajo de descarbonización de la red para cuando llegue la fusión, por ejemplo, o que las baterías se muy bueno y muy barato. Incluso la propia fisión podría volverse más ágil con el desarrollo de los llamados "pequeños reactores modulares", que están diseñados para ser más baratos de construir. Además, dice Ward, ahora en la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos, las proyecciones de costos de fusión involucran materiales y cadenas de suministro que en muchos casos aún no existen.
“Fundamentalmente, todo se reduce a grandes incertidumbres”, dice. “Es un sentimiento engañoso, especialmente cuando la gente ha impulsado esta idea de un 'santo grial' o energía 'ilimitada'. Usan estas palabras, y no creo que le haya hecho ningún favor a la fusión”.
Las empresas de fusión, como era de esperar, están ansiosas por explicar por qué sus diseños no solo descifrarán la física de la fusión, sino que también serán excepcionalmente económicos. Los reactores propuestos se pueden agrupar ampliamente en dos categorías: uno, conocido como tokamaks, utiliza imanes potentes para producir plasma. (La fusión de átomos requiere mucho calor, presión o ambos). El otro utiliza un enfoque llamado confinamiento inercial que tiene como objetivo aplastar y energizar un objetivo golpeándolo con un láser, como en el experimento de ignición de NIF, o proyectiles de alta velocidad.
“No es una pregunta que me hagan muy a menudo”, dice Michl Binderbauer, CEO de TAE Technologies, cuando se le pregunta sobre la economía del diseño del tokamak de su empresa. Es más probable que la gente pregunte cómo planea calentar el plasma en su reactor a mil millones de grados centígrados, frente a los 75 millones que la compañía ha demostrado hasta ahora. Pero las preguntas están entrelazadas, dice.
Esa temperatura extrema es necesaria porque TAE usa boro como combustible, junto con hidrógeno, lo que Binderbauer cree que en última instancia simplificará el reactor de fusión y dará como resultado una planta de energía que es más barata de construir. Pone los costos en algún lugar entre la fisión y las energías renovables, más o menos donde los modeladores de Princeton dicen que debe estar. Señala que mientras que las plantas de fusión serán caras de construir, el combustible será extremadamente barato. Además, un menor riesgo de accidentes y menos desechos radiactivos de alto nivel debería significar un alivio de las costosas regulaciones que han elevado los costos de las plantas de fisión.
Bob Mumgaard, director ejecutivo de Commonwealth Fusion Systems, una empresa derivada del MIT, dice que estaba feliz de ver el modelo de Princeton, porque cree que su tokamak puede superar esos requisitos de costos. Ese reclamo se basa principalmente en un imán superpoderoso que la compañía espera que le permita operar tokamaks, y por lo tanto plantas de energía, a menor escala, ahorrando dinero. CFS está construyendo un prototipo reducido de su diseño de fusión en Massachusetts que incluirá la mayoría de los componentes necesarios para una planta en funcionamiento. “De hecho, puedes ir y verlo, tocarlo y mirar las máquinas”, dice.
Nicholas Hawker, director ejecutivo de First Light Fusion, una empresa de fusión por inercia, publicó su propio análisis económico de la energía de fusión en 2020 y se sorprendió al descubrir que los mayores factores de costo no estaban en la cámara de fusión y sus materiales inusuales, sino en los condensadores. y turbinas que cualquier central eléctrica necesita.
Aún así, Hawker espera un aumento más lento que el de algunos de sus colegas. “Las primeras plantas se romperán todo el tiempo”, dice, y la industria requerirá un apoyo gubernamental significativo, tal como lo ha hecho la industria solar en las últimas dos décadas. Es por eso que cree que es bueno que muchos gobiernos y empresas estén probando diferentes enfoques: aumenta las posibilidades de que algunas tecnologías sobrevivan.
Schwartz está de acuerdo. “Sería extraño si el universo solo permitiera que existiera una forma de energía de fusión”, dice. Esa diversidad es importante, dice, porque de lo contrario la industria corre el riesgo de descifrar la ciencia solo para retroceder a sí misma en un rincón antieconómico. Tanto la fisión nuclear como los paneles solares pasaron por períodos similares de experimentación antes en sus trayectorias tecnológicas. Con el tiempo, ambos convergieron en diseños únicos (fotovoltaicos y reactores de agua a presión masivos que se ven en todo el mundo) que se construyeron en todo el mundo.
Para la fusión, sin embargo, lo primero es lo primero: la ciencia. Puede que no funcione pronto. Tal vez tomará otros 30 años. Pero Ward, a pesar de su cautela sobre los límites de la fusión en la red, sigue pensando que la investigación ya se está pagando sola, generando nuevos avances en la ciencia básica y en la creación de nuevos materiales. "Sigo pensando que vale la pena", dice.