El revolucionario material para tener reactores de fusión nuclear pequeños, eficaces y muy baratos

El sueño de la fusión nuclear como fuente de energía inagotable, segura y limpia está un paso más cerca. Mientras en España se avanza en el JT-II del Laboratorio Español de Fusión Nuclear-Ciemat, donde las partículas de hidrógeno alcanzan temperaturas 10 veces mayores que las del centro del Sol, uno de los proyectos de EEUU (en el que también participa el español Pablo Rodríguez) ha apostado por una innovadora cinta superconductora de alta temperatura que permite crear reactores de fusión más pequeños y eficientes. Es una muestra más del potencial de los superconductores como LK-99, el primero que funciona a temperatura ambiente.

Este revolucionario material es el resultado de décadas de investigación y colaboración entre Commonwealth Fusion Systems (CFS) y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Los científicos de la empresa y del prestigioso organismo educativo trabajan codo con codo en el diseño y la puesta a punto de SPARC, un reactor compacto de energía de fusión neta de alto campo magnético.

Sobre la base de la física establecida, se prevé que el dispositivo produzca entre 50 y 100 MW de potencia de fusión, aunque todavía queda mucho camino por recorrer para conseguir una ganancia de energía, es decir, que produzca más energía que la que gasta para poner en marcha la reacción nuclear.

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El material, que se coloca en capas y se apila en grandes bobinas para formar potentes electroimanes, es el eje sobre el que gira la construcción del reactor  piloto que está cogiendo forma en una base del ejército estadounidense cerca de Boston, según informa la revista especializada IEEE Spectrum. El objetivo marcado es que empiece a operar en 2025, aunque para que sea comercialmente viable probablemente queden décadas de investigación y desarrollo.

El imán más potente

La aproximación de CFS y el MIT a la fusión nuclear no se basa en el confinamiento inercial, que es la apuesta con la que el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore anunció la primera ganancia neta de energía tras un proceso de fusión nuclear. Por contra, lo que harán reactores como SPARC es poner en práctica el confinamiento magnético, que utiliza potentes electroimanes para contener el plasma.

Algunos de los de elementos que se utilizarán en el reactor de fusión Sparc Gretchen Ertl / CFS / MIT Omicrono

Para lograrlo, los nuevos superconductores de alta temperatura (HTS) hacen gala de propiedades únicas: pueden transportar mucha corriente incluso cuando están inmersos en campos magnéticos intensos, evitan la pérdida de calor y proporcionan un aislamiento térmico de gran calidad para el plasma. Hasta hace poco, los imanes de fusión se fabricaban con conductores de cobre o superconductores de baja temperatura (LTS), que tenían el hándicap de limitar la fuerza del campo magnético que podía producirse.

Esta cinta superconductora de alta temperatura no empezó a comercializarse hasta hace sólo 8 años. El elegido por los técnicos del MIT está compuesto por óxido de itrio, bario y cobre (YBCO). Para conseguir cinta y cables fabricados con estos materiales, primero se utiliza un láser para vaporizar los componentes. Después, se deposita una fina película de YBCO sobre un sustrato de acero y se somete a un proceso de oxigenación, que cambia la estructura del YBCO a un estado que permite la superconductividad.

La gran diferencia con respecto a los materiales utilizados hasta hace poco es que los imanes superconductores de alta temperatura son capaces de funcionar sin necesidad de sistemas de refrigeración excesivamente complejos o caros, que utilizan helio líquido. Los materiales HTS como los que están utilizando para el desarrollo de SPARC funcionan en un rango de 20 a 77 kelvins, es decir, entre -200 y -250 ºC. Este intervalo de temperatura, por frío que parezca, es bastante más cálido que las temperaturas que requieren los superconductores típicos, que sólo pueden funcionar a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 ºC).

"Estos nuevos materiales abren una nueva vía hacia la energía de fusión porque, además de sus capacidades superconductoras a temperaturas criogénicas más altas, también son capaces de llegar a campos magnéticos muy elevados", declaró a IEEE Spectrum Scott Hsu, asesor principal del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) y coordinador principal de fusión de la agencia. "Estas propiedades ofrecen la posibilidad de diseñar sistemas de fusión más pequeños, menos complejos y de menor coste, más rápidos de construir y más fáciles de desmontar para su mantenimiento", añadió.

Kilómetros de cinta

La cinta HTS se apila para formar potentes electroimanes capaces de contener el plasma e impedir que la mayoría de las partículas cargadas colisionen con las paredes del tokamak. Pero eso implica una cantidad enorme de material, para lo que el equipo de investigadores pasó dos años comprando la mayor parte del suministro mundial de cinta HTS de 4 milímetros de ancho, procedente del stock de empresas estadounidenses pero también de países como Japón y Rusia.

Los técnicos enrollaron la cinta en 16 bobinas, ensambladas hasta formar una columna de más de tres metros para crear un imán de campo toroidal. En septiembre de 2021, en el Plasma Science and Fusion Center del MIT, el equipo hizo historia encendiendo el imán para llegar a una potencia de 20 tesla, 400.000 veces más fuerte que el valor típico del campo magnético de la Tierra.

Imán superconductor del MIT MIT Omicrono

Ahora, para magnetizar el SPARC, los responsables de la investigación están trabajando en la creación de 18 imanes similares, además de algunas bobinas más pequeñas. Por eso, cerca de donde va cogiendo forma el futuro prototipo de reactor de fusión hay una instalación de ensamblaje de imanes cuyo ritmo de producción no deja de aumentar. "Hemos reducido el tiempo de ensamblaje a la mitad, pero tendremos que reducir ese tiempo nuevamente por un factor de cuatro para que puedan funcionar según lo programado", asegura a IEEE Brandon Sorbom, director científico de CFS.

El objetivo final es simplificar y abaratar la construcción de reactores más pequeños y eficientes para hacer viable el sueño de la fusión nuclear. Es una alternativa muy a tener en cuenta frente a experimentos de fusión como el ITER, el gigantesco reactor que se está construyendo en Cadarache (Francia) fruto de la colaboración internacional. Este ambicioso proyecto lleva más de una década en marcha y sus responsables estiman un coste final cercano a los 20.000 millones de euros (muy por encima de los 5.600 previstos inicialmente).

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