KRISTEN SCHELL Y AHMED ABDULLA

El Departamento de Energía de EE.UU. informó sobre un gran avance científico en la ciencia de la fusión nuclear en diciembre de 2022. Por primera vez, se liberó más energía de una reacción de fusión de la que se usó para encenderla.

Si bien este logro es histórico, es importante hacer una pausa y reflexionar sobre el camino a seguir para la energía de fusión.

DEFINICIÓN DE LOS LÍMITES DEL SISTEMA
Queda por ver la eficiencia de una posible central eléctrica de energía de fusión. La ganancia neta de fusión informada en realidad requirió alrededor de 300 megajulios de entrada de energía, que no se incluyó en el cálculo de la ganancia de energía. Esta entrada de energía, necesaria para alimentar 192 láseres, procedía de la red eléctrica.

En otras palabras, el experimento usó tanta energía como la típica casa canadiense en dos días. Al hacerlo, la reacción de fusión generó suficiente energía para encender solo 14 bombillas incandescentes durante una hora.

Lo mismo ocurre con la fisión nuclear, que es la reacción dentro de las centrales nucleares actuales. La fisión completa de un kilogramo de uranio-235, el componente fisionable del combustible nuclear, puede generar alrededor de 77 terajulios. Pero no podemos convertir toda esa energía en formas útiles como calor y energía eléctrica.

En cambio, tenemos que diseñar un sistema complejo que pueda controlar la reacción en cadena de la fisión nuclear y convertir la energía generada en formas más útiles.

Esto es lo que hacen las plantas de energía nuclear: aprovechan el calor generado durante las reacciones de fisión nuclear para producir vapor. Este vapor impulsa una turbina conectada a un generador de energía eléctrica, que produce electricidad. La eficiencia global del ciclo es inferior al 40 por ciento.

Además, no se quema todo el uranio del combustible. El combustible usado todavía contiene alrededor del 96 por ciento de su uranio total y alrededor de una quinta parte de su contenido de uranio-235 fisionable.

Es posible aumentar la cantidad de uranio gastado en nuestra flota actual, es un ámbito de trabajo continuo, pero plantea enormes desafíos de ingeniería. El enorme potencial energético del combustible nuclear se ve mitigado actualmente por los desafíos de ingeniería de convertir esa energía en una forma útil.

DE LA CIENCIA A LA INGENIERÍA
Hasta hace poco, la fusión se consideraba principalmente como un experimento científico, no como un desafío de ingeniería. Esto está cambiando rápidamente y los reguladores ahora están investigando cómo podría desarrollarse la implementación en el mundo real.

Independientemente de la eficiencia de una futura planta de energía de fusión, llevar las conversiones de energía de la ciencia básica al mundo real requerirá superar una multitud de desafíos.

Debido a que la fisión enfrentó muchos de los mismos desafíos que la fusión ahora, podemos aprender mucho de su historia. La fisión también tuvo que pasar de la ciencia a la ingeniería antes de que la industria comercial pudiera despegar.

La ciencia de la energía de fusión, como la de la fisión nuclear, tiene sus raíces en los esfuerzos por desarrollar armas nucleares. En particular, varios físicos nucleares que ayudaron a desarrollar la bomba nuclear querían “probar que este descubrimiento no era solo un arma”.

La historia temprana de la energía nuclear fue de optimismo, de declaraciones de que la tecnología avanzaría y podría satisfacer nuestra necesidad de cantidades cada vez mayores de energía. Eventualmente, la energía de fusión llegaría y la electricidad se volvería “demasiado barata para medirla”.

LECCIONES APRENDIDAS
¿Qué hemos aprendido en los últimos 70 años desde el inicio de la energía nuclear? Primero, hemos aprendido sobre el riesgo potencialmente devastador del bloqueo tecnológico, que ocurre cuando una industria se vuelve dependiente de un producto o sistema específico.

Los reactores de fisión de agua ligera de hoy en día, reactores que utilizan agua normal en lugar de agua enriquecida con un isótopo de hidrógeno, son un ejemplo de esto. No fueron elegidos porque fueran los más deseables, sino por otras razones.

Estos factores incluyen subsidios gubernamentales que favorecieron estos diseños; el interés de la Marina de los EE.UU. en desarrollar reactores de agua a presión de menor escala para submarinos y buques de guerra de superficie; avances en la tecnología de enriquecimiento de uranio como resultado del programa de armas nucleares de EE.UU.; incertidumbres con respecto a los costos nucleares que llevaron a suponer que los grandes reactores de agua ligera son simplemente versiones ampliadas de los más pequeños; y conservadurismo con respecto a las opciones de diseño dados los altos costos y riesgos asociados con el desarrollo de la energía nuclear.

Hemos estado luchando para pasar a otras tecnologías desde entonces.

En segundo lugar, hemos aprendido que el tamaño importa. Los reactores grandes cuestan más para construir por unidad de capacidad que las unidades más pequeñas. En otras palabras, los ingenieros malinterpretaron el concepto de economías de escala y condenaron su industria en el proceso.

Los grandes proyectos de infraestructura son sistemas extremadamente complejos que dependen de enormes fuerzas de trabajo y coordinación. Se pueden administrar, pero por lo general superan el presupuesto y se retrasan. Las tecnologías modulares exhiben una mejor asequibilidad, control de costos y economías, pero los reactores nucleares micro y pequeños también enfrentarán desafíos económicos.

Tercero, se deben desarrollar regímenes regulatorios para la fusión. Si la industria se une demasiado rápido en torno a un diseño de primera generación, las consecuencias para la regulación de los futuros reactores podrían ser graves.

En cuarto lugar, la elección de ubicaciones para nuevas plantas de energía y la aceptación social son claves. Fusion tiene una ventaja porque su tecnología es más una pizarra en blanco que la fisión cuando se trata de la opinión pública. Las asociaciones positivas que el público tiene con la fusión deben mantenerse mediante decisiones de diseño prudentes y la adopción de las mejores prácticas para la participación de la comunidad.

Lo mismo se aplica a la forma en que la industria elegirá manejar el desafío de los desechos. Los reactores de fusión generan grandes cantidades de desechos, aunque no del mismo tipo que la fisión.

UNA LLAMADA A LA ACCIÓN
Nuestra investigación sobre innovación en energía nuclear revela que los desafíos que enfrenta la fusión nuclear pueden superarse, pero requieren un liderazgo prudente, décadas de investigación, cantidades significativas de financiamiento y enfoque en el desarrollo de tecnología.

Se necesitan miles de millones de dólares para avanzar en la tecnología de fisión nuclear, y tenemos mucha más experiencia con la fisión que con la fusión. Los gobiernos, las empresas de servicios eléctricos y los empresarios deben demostrar apetito por la financiación.

La promesa de Fusion es enorme y se está realizando un trabajo emocionante para avanzar fuera de este avance reciente, incluso por parte de empresas privadas. Se necesitan décadas de investigación y desarrollo antes de que la fusión pueda contribuir significativamente a nuestro sistema energético.

Nuestro mensaje central es un llamado a la acción: los ingenieros de fusión, los investigadores, la industria y el gobierno deben organizarse para investigar y mitigar los desafíos que enfrenta la fusión, incluso en el diseño de la primera generación de centrales eléctricas.

No hay sustituto para la descarbonización profunda y rápida del sistema energético si queremos salvar a nuestro planeta de la catástrofe climática. Estamos orgullosos de capacitar a la próxima generación de ingenieros energéticos para diseñar nuevas y mejores soluciones energéticas.