Tokamaks, estelarators, tecnologías basadas en láser y diseños alternativos: un informe recoge los dispositivos de fusión del mundo

Desde los primeros experimentos realizados en los años cincuenta, ha sido un desafío replicar en nuestro planeta la energía de las estrellas. Hoy, científicos e ingenieros siguen trabajando para alcanzar una meta: emitir esta energía prácticamente ilimitada. A lo largo de los años han diseñado y construido una amplia gama de dispositivos experimentales, como el tokamak, el estelarator y las tecnologías basadas en láser.

Artem Vlasov, Oficina de Información al Público y Comunicación
El TJ-II es uno de los principales proyectos del Laboratorio Nacional de Fusión de España. Se trata de un estelarator flexible de tipo heliac y de tamaño medio, y en la actualidad es el segundo estelarator más grande en operación de Europa. (Fotografía: CIEMAT)

Desde los primeros experimentos realizados en los años cincuenta, ha sido un desafío replicar en nuestro planeta la energía de las estrellas. Hoy, científicos e ingenieros siguen trabajando para alcanzar una meta: emitir esta energía prácticamente ilimitada. A lo largo de los años han diseñado y construido una amplia gama de dispositivos experimentales, como el tokamak, el estelarator y las tecnologías basadas en láser.

A nivel internacional, se ha iniciado la operación, la construcción o la planificación de más de 130 dispositivos de fusión en el sector público o privado. A modo de reseña de la diversidad de dispositivos y enfoques, el OIEA publicó recientemente un informe titulado World Survey of Fusion Devices 2022, en el que se enumeran y explican los dispositivos de fusión del Brasil, Costa Rica, España y el resto del mundo. La publicación complementa los datos disponibles en el Sistema de Información de Dispositivos de Fusión del OIEA.

“Si se hiciera realidad, la fusión beneficiaría a todos los países y coexistiría con la energía nucleoeléctrica y otras formas de energía sostenible, para apoyar la mitigación del cambio climático y contribuir a la canasta de energía”, dice Matteo Barbarino, Especialista en Plasma de Fusión Nuclear del OIEA.

“Investigadores e ingenieros de todo el mundo están estudiando diferentes diseños de dispositivos de fusión para hacer avanzar la ciencia. En nuestra nueva publicación ofrecemos una visión general detallada de las actividades de investigación y desarrollo en este ámbito, partiendo de las capacidades de esos dispositivos”, concluye el Sr. Barbarino.

La fusión nuclear es una reacción en la que dos núcleos atómicos ligeros se combinan para formar un solo núcleo, al mismo tiempo que se emiten enormes cantidades de energía. Sin embargo, para lograr una reacción sostenida y controlada de fusión, deben resolverse un sinfín de desafíos técnicos y científicos. El combustible (isótopos del hidrógeno) debe confinarse a una presión intensa y temperaturas extremadamente elevadas, muchas veces más altas que las del núcleo del Sol.

Día tras día, se progresa considerablemente. Más de 30 países han realizado experimentos de fusión con diferentes tipos de dispositivos y en ocasiones han logrado producir reacciones de fusión; sin embargo, estas han sido de corta duración y no han conseguido generar cantidades de energía aprovechables.

Enfoques diferentes, mismo objetivo

Este nuevo informe dedica cada capítulo a una clase de diseño, y proporciona detalles como su nombre, situación, propietario, organización y país anfitrión, así como una breve descripción de sus objetivos y principales características. También incluye estadísticas sobre publicaciones, financiación y muchos otros datos, con el objetivo de brindar un panorama general de las iniciativas actuales en el ámbito de la fusión.

Los dispositivos más habituales en las investigaciones sobre la fusión son de tipo tokamak o estelarator. Estos se basan en el enfoque del confinamiento magnético: poseen grandes imanes que controlan el movimiento del plasma en el que ocurre la fusión. Según el informe, existen más de 50 tokamaks y una decena de estelarators en operación en el mundo. Asimismo, 35 países participan en el proyecto de construcción del tokamak más grande del planeta, el ITER, ubicado en Francia.

Un segundo enfoque se denomina “inercial”. En él, se emplean láseres de alta potencia (u otros métodos) para calentar y comprimir diminutas cápsulas esféricas que contienen pastillas de combustible. En diciembre del año pasado, la Instalación Nacional de Ignición (NIF) de los Estados Unidos logró un avance importante para el ámbito de la fusión al generar unos 3,15 megajulios (MJ) de energía tras haber empleado 192 láseres que habían inyectado 2,05 MJ. “Este año podemos afirmar que ya hemos alcanzado algunos hitos, como plasmas en condiciones de quemado, la ignición por fusión y la ganancia de una energía mayor a la unidad empleada: una situación que resulta extraordinaria”, explica Omar Hurricane, Científico Jefe del Programa de Fusión por Confinamiento Inercial del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en los Estados Unidos.

En el informe también se describen diseños alternativos; por ejemplo, utilizar haces de iones generados por aceleradores de partículas y hacerlos colisionar entre sí, de forma que la fusión se produzca en el punto en el que colisionan, o intentar emplear combustibles que no estén compuestos por isótopos del hidrógeno (tritio y deuterio), como la fusión protón‑boro 11 (p‑B 11).

Para demostrar que puede producirse electricidad neta a partir de la energía de fusión, cada vez hay más iniciativas de diseño y construcción de centrales de demostración de la fusión (DEMO), que hoy cuentan con inversiones del sector privado. Uno de los capítulos del informe abarca los 12 conceptos de DEMO, que se encuentran en diversas fases de desarrollo y cuya fecha de finalización difiere en diversas partes del mundo, pero tendrá lugar en los próximos 30 años. “Hemos avanzado considerablemente en el estudio de la fusión y sus bases científicas, pero todavía nos queda mucho por hacer antes de que se convierta en una fuente de electricidad en la práctica”, dice el Sr. Barbarino.

Encontrará más información sobre la fusión y el papel que desempeña el OIEA en este enlace.

Different approaches, same goal

The new report dedicates each chapter to a different design class, providing details including its name, status, ownership, host country and organization with short descriptions of the device's goals and main features. It also provides statistics about publications, funding and other parameters that help create a comprehensive picture of the status of global fusion efforts.

Tokamaks and stellarators, for example, are the most common devices and the focus of much of the current research. These toroidal devices contain large magnets that control the movement of plasma — a high temperature, charged gas – where fusion occurs. The report shows that there are currently more than 50 tokamaks and over 10 stellarators in operation in the world. The world’s largest tokamak, ITER, is currently under construction in France, with 35 countries involved in the project.

Another approach includes inertial fusion, which uses high-power lasers (or other means) to heat and compress tiny spherical capsules containing fuel pellets. In December last year, using this approach the National Ignition Facility (NIF) in the United States made significant progress in fusion research, generating about 3.15 megajoules (MJ) of energy from the 2.05 MJ energy output of its 192 lasers. " This year we find ourselves in a position where we can talk about the milestones of burning plasmas, fusion ignition, and target energy gain greater than unity in the past tense – a situation that is remarkable,” said Omar Hurricane, Chief Scientist for the Inertial Confinement Fusion Program Design Physics Division, Lawrence Livermore National Laboratory, USA.

The report also details the alternative designs scientists continue to work on for producing fusion, for example, colliding two ion beams generated by particle accelerators with each other, with fusion taking place at their collision point, or trying out fuels other than hydrogen isotopes, such as those based on fusing a proton with boron-11.

To demonstrate that fusion can effectively produce electricity, there is an increasing effort towards design and construction of demonstration fusion power plants, or DEMOs, which today also include investments being made by the private sector. The report also dedicates a chapter to the 12 DEMO concepts at various stages of development in China, Europe, Japan, Russia, the Republic of Korea, the United Kingdom and the United States of America, with varying target completion dates spanning the next three decades. “We’ve made significant progress in understanding fusion and its science, but there is still much work to do before it can become a practical source of electricity,” said Barbarino.

Find out more about fusion and the role of the IAEA here.

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