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Durante años, los científicos nucleares han tratado de replicar el proceso de fusión que tiene lugar en miles de millones de estrellas para generar energía limpia en la Tierra.
Ahora, un equipo británico ha informado de haber alcanzado un hito importante en la búsqueda, calentando un reactor nuclear a la «cifra mágica» de 100 millones de grados Celsius.
Este es el umbral donde los átomos de hidrógeno pueden comenzar a fusionarse en helio, liberando energía sostenible en el proceso que podría acabar con los combustibles fósiles.
Descrito como el ‘santo grial’, el hito se logró utilizando el ‘tokamak esférico’ ST40, un dispositivo nuclear con forma de ‘manzana con núcleo’ en Oxfordshire, y el equipo ahora está trabajando en un reactor de fusión que puede conectarse a la red nacional por 2030.
El hito está por debajo del récord establecido por científicos chinos en 2021, que hicieron funcionar su reactor a 120 millones de grados centígrados.
El tokamak esférico (llamado ST40) utiliza un poderoso campo magnético para confinar los isótopos de hidrógeno en una forma esférica, similar a una manzana sin corazón, mientras se calientan con microondas en un plasma para producir fusión y energía limpia.
Sin embargo, los expertos con sede en Oxfordshire, que trabajaron con colegas en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton, dicen que su reactor es más pequeño y funciona con menos potencia de calentamiento de plasma, lo que posiblemente allana el camino para las primeras plantas de energía de fusión.
El equipo de investigación describió sus prometedores resultados en un nuevo artículo publicado en la revista Fusión nuclear.
‘Se han producido temperaturas de iones de más de 100 millones de grados en el tokamak esférico compacto de alto campo ST40’, dicen en el estudio.
‘[Such temperatures] no se han alcanzado previamente en ningún tokamak esférico y solo se han obtenido en dispositivos mucho más grandes con una potencia de calentamiento de plasma sustancialmente mayor.
«Las temperaturas de iones relevantes para la fusión por confinamiento magnético comercial se pueden lograr en un tokamak esférico compacto de alto campo».
Tokamak Energy, con sede en Milton, Oxfordshire, está trabajando para recrear el proceso de fusión que ocurre en miles de millones de estrellas en todo el universo, en su dispositivo de financiación privada, el ST40.
El ST40, que se encendió por primera vez en abril de 2017, es un ‘tokamak esférico’, por lo que es más aplastado y compacto en comparación con otros reactores ‘en forma de rosquilla’ que son más planos y pueden alcanzar varios kilómetros de diámetro.
Debido a su diseño, el ST40 es ‘compacto’ (menos de un metro de ancho) y alcanza alrededor de 13 pies de altura.
Vista del ‘tokamak esférico’ ST40 desde el exterior (izquierda) y el interior (derecha). Un tokamak esférico mantiene el plasma en campos magnéticos más estrictos, lo que le da más la forma de una manzana sin corazón que de una dona.
Los investigadores dicen que se han producido temperaturas de más de 100 millones de grados (8,6 keV) en el tokamak esférico ST40.
En el ST40, el gas hidrógeno se calienta para convertirse en ‘plasma’, una sopa de partículas cargadas positivamente (iones) y partículas cargadas negativamente (electrones).
El plasma, al que a menudo se hace referencia como el cuarto estado de la materia después de sólido, líquido y gas, comprende más del 99 por ciento del universo visible y constituye la mayor parte de nuestro sol.
En el tokamak, el plasma queda atrapado y presurizado por campos magnéticos hasta que las partículas de plasma energizadas comienzan a chocar.
A medida que las partículas se fusionan en helio, liberan enormes cantidades de energía, imitando el proceso que ocurre naturalmente en el centro de las estrellas.
Para producir energía comercial, las futuras plantas de energía de fusión deberán alcanzar temperaturas de 100 millones de grados centígrados, según Tokamak Energy.
Aunque el núcleo de nuestro sol arde a unos 15 millones de grados centígrados, las temperaturas del reactor tienen que ser mucho más altas, porque el sol tiene una densidad de partículas mucho mayor.
Aunque se ha informado que el costo del ST40 para lograr el hito es de menos de £ 50 millones ($ 66 millones), otros reactores son muchas más veces esta cantidad.
Por ejemplo, el costo del Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER) que se está construyendo en Francia se estima en $ 22,5 mil millones (£ 15,9 mil millones).
Los investigadores del Reino Unido dicen que su trabajo está «avanzando en la base de la física» hacia la fusión comercial utilizando el tokamak ST40 a un «costo potencialmente reducido».
Podría allanar el camino para la primera planta de energía de fusión comercialmente viable en el Reino Unido, que se conoce como Spherical Tokamak for Energy Production (STEP).
La energía de fusión funciona haciendo colisionar átomos pesados de hidrógeno para formar helio, liberando grandes cantidades de energía en el proceso, como ocurre naturalmente en el centro de las estrellas.
Ratcliffe-on-Soar Power Station, una de las tres centrales eléctricas de carbón activas en el Reino Unido. Está previsto que cierre en septiembre de 2024.
Financiado por el gobierno del Reino Unido, STEP se ubicará en la actual central eléctrica de West Burton en Nottinghamshire, según se anunció en octubre pasado.
Una central eléctrica de carbón en el sitio cesó la producción unos días antes del anuncio, como parte de los esfuerzos del Reino Unido para eliminar gradualmente el combustible fósil y reemplazarlo con fuentes de energía limpia como la nuclear.
En el Reino Unido, hay dos centrales eléctricas de carbón activas en funcionamiento, en Kilroot, Irlanda del Norte, y Ratcliffe on Soar, Nottingham, pero serán clausuradas o convertidas a gas para 2024.
Las plantas de energía de fusión están configuradas para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero del sector de generación de energía, que es una de las principales fuentes de emisiones de carbono a nivel mundial.
En solo unas pocas décadas, las centrales eléctricas que solían arrojar contaminantes nocivos como el dióxido de carbono, el dióxido de azufre y las partículas podrían transformarse en instalaciones limpias que proporcionen energía limpia y renovable.
Mientras que la fusión fusiona núcleos atómicos para crear cantidades masivas de energía, la fisión, que se usa en armas atómicas y plantas de energía nuclear, los divide en fragmentos.
A diferencia de la fisión, la fusión conlleva menos riesgo de accidentes o robo de material atómico, pero ambos son extremadamente difíciles y pueden ser costosos.
CÓMO FUNCIONA UN REACTOR DE FUSIÓN
La fusión es el proceso por el cual un gas se calienta y se separa en sus iones y electrones constituyentes.
Se trata de elementos ligeros, como el hidrógeno, que chocan entre sí para formar elementos más pesados, como el helio.
Para que ocurra la fusión, los átomos de hidrógeno se someten a altas temperaturas y presiones hasta que se fusionan.
El tokamak (impresión artística) es el sistema de confinamiento magnético más desarrollado y es la base para el diseño de muchos reactores de fusión modernos. El violeta en el centro del diagrama muestra el plasma en el interior
Cuando los núcleos de deuterio y tritio, que se pueden encontrar en el hidrógeno, se fusionan, forman un núcleo de helio, un neutrón y mucha energía.
Esto se hace calentando el combustible a temperaturas superiores a los 150 millones de °C y formando un plasma caliente, una sopa gaseosa de partículas subatómicas.
Se utilizan fuertes campos magnéticos para mantener el plasma alejado de las paredes del reactor, para que no se enfríe y pierda su potencial energético.
Estos campos son producidos por bobinas superconductoras que rodean el recipiente y por una corriente eléctrica impulsada a través del plasma.
Para la producción de energía, el plasma debe estar confinado durante un período suficientemente largo para que se produzca la fusión.
Cuando los iones se calientan lo suficiente, pueden superar su repulsión mutua y colisionar, fusionándose.
Cuando esto sucede, liberan alrededor de un millón de veces más energía que una reacción química y de tres a cuatro veces más que un reactor de fisión nuclear convencional.
