La Vieja Carrera a la Fusión
Quiero dar la bienvenida
a todos ustedes a la
reunión del grupo de
Física y de Astronomía
que es patro...  También,
organizado por LPPFusion.
¿QUÉ ES LA FUSIÓN?
La fusión es el poder que
impulsa el universo.
Es la principal fuente de energía de
nuestro Sol y de todas las estrellas.
Por supuesto, proporciona
la vida aquí en la Tierra.
El proceso de fusión es el
proceso de dos núcleos cargados
reaccionando a través
de la fuerza nuclear
y dando lugar a que se formen
diferentes elementos.
Así que para contrastar esto
con el proceso de fisión,
que normalmente es llamado energía nuclear
y en el que interviene
el uranio y el plutonio.
El cual también siempre implica
un neutrón, una partícula neutral
que interactúa con el núcleo.
Por lo tanto, si intervienen
dos núcleos, es fusión.
Si son un núcleo y un
neutrón es fisión.
¿IMPLICA LA FISIÓN LA SEPARACIÓN?
Bueno,
estrictamente no es lo que sucede
después, sino es lo que se introduce.
A veces se fusionan las cosas y
ellas se separan a continuación.
Así que son los ingredientes
con los que se empiezan.
Si comienzas con dos núcleos cargados
y todos los núcleos, todos los
núcleos de elementos tendrán
al menos una carga,
que es un protón, entonces
obtendrás fusión.
Si comienzas con un neutrón y un
núcleo, entonces, obtienes fisión.
Esa es la distin...  eso es lo principal.
La energía de fusión es
potencialmente enormemente
limpia y una fuente
ilimitada de energía.
Por eso estamos interesados.
DOS TIPOS DE FUSIÓN
Neutrónico         Aneutrónico
En realidad hay dos tipos de
fusión y dependen del otro
lado de la reacción, o sea
de lo que sale de ellas.
Por eso, en la fusión neutrónica,
la cual, involucra el deuterio y el
tritio, los cuales, son dos
isótopos del elemento hidrógeno.
Estas reacciones producen neutrones.
Por ello, no tienes neutrones que ingresan,
pero, tienen neutrones que salen.
Esto significa, porque los
neutrones inducen radioactividad
en los elementos que golpean.
Tienes algunos desechos radioactivos,
mucho menos que con fisión, pero algunos.
La única forma que sabemos como
extraer energía de los neutrones
es al calentar las cosas.
Por lo tanto, si lo usas para calentar
algo regresamos a como hemos
producido electricidad desde
los tiempos de Edison.
Lo usamos para hervir agua,
para producir vapor, para
accionar una turbina, para
accionar un generador.
Todo lo cual es muy costoso.
Esa es la fusión neutrónica.
La fusión aneutrónica,
claramente, es la otra forma.
Tienes núcleos cargados que entran y
núcleos cargados que salen de la reacción.
El mayor ejemplo de esto
es el hidrógeno-boro.
Tomas el hidrógeno ordinario y
el isótopo dominante de boro, estos
se juntan a altas temperaturas
para producir tres núcleos
de helio—donde salen
partículas, todas cargadas.
La mayor ventaja de esto es que
no hay desperdicios radioactivos.
La segunda ventaja es que ahora la energía
es llevada por partículas cargadas,
y las partículas cargadas en
movimiento son la electricidad—
lo cual, es la corriente eléctrica—
potencialmente puedes obtener
la energía directamente
sin pasar por un ciclo térmico.
Por ello, potencialmente la fusión
aneutrónica es la única fuente de
energía que conocemos, la cual,
potencialmente no solo es
la más limpia que cualquier
otra fuente de energía,
sino también puede ser la más económica.
Si queremos hacer que la fusión
sea una fuente de energía útil,
el primer paso que tenemos
que dar es obtener más
energía del dispositivo
que la que suministramos.
Eso es bastante obvio.
De lo contrario estamos quemando
energía que no producimos.
Hay, basicamente, cuatro ingredientes
para obtener energía neta.
Hasta ahora ninguno de
nosotros lo hemos logrado.
En primer lugar hay que elevar el material
a una temperatura muy alta. Eso es
para que los núcleos tengan la velocidad
suficiente (que es la temperatura) para
sobreponerse a su repulsión eléctrica,
(porque ambos tienen cargas
positivas), y se acerquen
suficiente para que su fuerza nuclear,
que tiene un corto alcance, los una.
En segundo lugar tienes que tener el
suficiente tiempo de confinamiento
para que la reacción queme
casi todo el combustible.
Finalmente, debe haber
suficiente densidad con el fin
de que la reacción sea lo
suficientemente rápida.
Cuanto mayor sea la densidad,
más rápida será la reacción.
Ahora, estos son los tres elementos de los
cuales casi todo nosotros hablamos.
Pero, hay un cuarto elemento, un
cuarto ingrediente, el cual
es realmente muy importante.
Tienes que suministrar
energía a la máquina dentro
de un gas en combustión
donde esto toma lugar, un
plasma, en forma eficiente.
Y se tiene que extraer la energía
de manera eficiente también.
Así se completa el ciclo
de la electricidad
introducida y el de la
electricidad extraída.
¿QUE ES EL PLASMA?
Lo que es el plasma, es un gas
eléctricamente conductivo.
En el cual, se han perdido
los electrones y, al menos,
algunos de ellos pueden
moverse libremente.
Ejemplos con los cuales estamos
familiarizados en la vida diaria
son: un rayo es plasma,
el fuego es plasma y claro está que las
pantallas de plasma tienen plasma.
En el universo el plasma es la
forma dominante de la materia.
Las estrellas y casi
todas regiones entre
ellas están hechas de plasma.
Así que lugares
como la tierra donde
la mayor parte de la
materia es neutral son
realmente la excepción.
LA VIEJA CARRERA DE LA FUSION
Financiado por los gobiernos
Neutrónico
Así que los gobiernos del mundo
han concentrado casi todo
el financiamiento de fusión
en unos pocos proyectos.
Uno de ellos, uno de lo
más costosos es este:
es lo que se llama el National
Ignition Facility o NIF para abreviar.
Creo que de la fotografía pueden
obtener una idea de la escala.
Esta es una instalación de láser.
El láser es aproximadamente
del tamaño de tres campos
de fútbol Americano.
Todo cubierto con equipo costoso.
No hace falta decir que este es un
proyecto extremadamente costoso.
5 mil millones de dólares
se han gastado en él.
Ahora, ¿qué tan lejos han llegado ellos?
Bien, para cada uno de estos proyectos te
mostraré, basicamente, donde están ahora.
Así que la temperatura se mide en
las unidades de electronvoltios.
Estrictamente hablando,
kiloelectronvoltios—miles de
electronvoltios—la energía
de cada ion individual.
Para trasladar esto a una temperatura
multiplicas por aproximadamente
once millones.
Así que...o...así que...
ocho keV son 88 millones
de grados centígrados
lo cual es bastante elevado. Es más
caliente que el centro del Sol.
Veremos que se tendrá que alcanzar
temperaturas aún más elevadas.
El tiempo de confinamiento del
experimento NIF es extremadamente corto.
0,16 nanosegundos. 0,16
milmillonésima partes de un segundo.
La densidad es 8 veces 10 elevado al 24.
Eso es aproximadamente diez
veces la densidad sólida. La energía
que ingresa es de 400 megajulios.
Ahora, vamos a usar una medida para
comparar varios de estos experimentos.
Que es cuando usan el
combustible de deuterio puro.
El deuterio, deuterio puro no es el mejor
combustible nuclear, pero sirve para
comparar varios experimentos porque es
muy barato y no emite radioactividad.
La mejor energía extraída usando
deuterio con 400 megajulios de energía
introducida es 20 julios. Muy
pequeño retorno de la inversión.
No solo esto, la meta de
la National Ignition
Facility, curiosamente,
es la ignición.
Lo que la ignición significa es que el
plasma está produciendo suficiente
energía que continúa quemándose sin
que se le suministre más energía.
Como al prender un fósforo.
El fósforo continuará
quemándose hasta que se
consuma completamente.
Informes oficiales del gobierno han
dicho que, básicamente, no hay
posibilidad de que la National
Ignition Facility alcance la ignición.
Las razones son complicadas,
pero la más resaltante es esta:
realmente es una mala idea
mezclar la energía de fusión
(investigaciones de energía pacífica)
con las bombas de hidrógeno.
El problema es que el NIF fue
fundado como un modelo a escala
para diseñar mejores bombas de
hidrógeno—armas termonucleares.
Esto es una mala idea por
varias razones:
los Estados Unidos tiene
suficientes armas termonucleares
para destruir 50 civilizaciones
globales y solo tenemos una.
Por lo tanto, no necesitamos mas y
mejores armas termonucleares.
La segunda es,
cuando mezclas un
objetivo militar con uno
científico generalmente
no completas ninguno.
Y técnicamente es una razón muy simple. Si
el NIF actúa convergiendo láseres
enormes sobre un perdigón sólido de
deuterio y tritio que está congelado.
Pero no converge rayos
directamente sobre el perdigón, que
es lo que lógicamente los
científicos piensan debe hacerse.
Los converge sobre esto, lo que
se llama un hohlraum, que es un
pequeño recipiente en donde los
rayos láser entran desde los dos
extremos, calientan el interior
y luego emite rayos X a medida
que el recipiente se desintegra.
Estos calientan el perdigón.
Esto se llama ataque indirecto.
La razón, por la que, se
diseña en esta forma no es
porque es la mejor manera
de producir fusión.
Pero, de esta forma, es como armas
termonucleares funcionan.
Así que si quieres un modelo
de armas termonucleares
tienes que diseñar el
perdigón de esta forma.
El problema es que no conseguirás
la ignición de esta manera.
Por eso, esta es una calle sin salida.
El otro gran proyecto, en el cual la gente
invierte mucho dinero es: tokamaks.
Y especialmente un tokamak
en construcción llamado ITER
que es el Reactor Tokamak
Experimental Internacional.
No se si puedes ver este pequeño tipo aquí.
Este es un dibujo a escala
de un hombre comparado
al dispositivo que
están construyendo.
Como pueden ver es una máquina enorme.
La idea de un tokamak...
Muéstrales. ¿Dónde está el? No lo veo.
Lo siento, el hombre
esta justamente aquí. De
acuerdo, de acuerdo, el
hombre es así de alto.
Así de alto es el hombre.
Um...
El hecho que no lo puedas ver
indica la escala de esa máquina.
Correcto.
En realidad, puedo conseguir mi
puntero láser que creo está aquí.
Es aproximadamente doce pisos de alto.
Si.
¿Dónde está?
No existe todavía pero está...
um...
No puedes verlo.
Está en el techo.
No se puede ver en la pantalla de la
televisión por lo que no es muy útil.
Um...está bajo construcción en Francia.
El costo es 20 mil
millones y sigue creciendo,
creciendo constantemente.
Los primeros experimentos ahora
están programados para el 2032.
Que según mis cálculos
es dentro de 16 años.
Vamos a profundizar un poco los
problemas del ITER en primer
lugar pero, primeramente,
veamos el tokamak en general.
El tokamak es un dispositivo
en el cual poderosos campos
externos magnéticos son usados
para confinar el plasma ardiente.
Porque hay un límite de que tan
poderoso un campo magnético puede ser
sin que los materiales del
que están hechos puedan
ser aplastados por la
fuerza del campo magnético,
solo puedes construir una máquina como el
tokamak si usas un plasma muy diluido.
Ahora, muchos tokamaks han sido
construidos así que podemos mirar su...
um...
logros reales.
Por ejemplo, uno de los tokamaks más
grandes que ha sido construido es
el Joint European Tokamak, JET, que
fue construido en el Reino Unido.
Este logra temperaturas aún más
elevadas que el NIF, 16 keV.
El tiempo de confinamiento
es mucho mayor–5 segundos.
La densidad es mucho
menor, es solo una
trillonésima de la densidad
de la materia sólida.
La energía de entrada—10 gigajulios,
la energía de salida—60 kilojulios.
Aún muy lejos de cubrir los costos.
Pero, mucho mejor que el NIF—costo
de 2 mil millones de dólares.
El EAST es el más reciente
de los tokamaks grandes.
¿Ven este hombre aquí?
¿Pueden todos ver este hombre aquí?
Este es un hombre verdadero
parado en la instalación real.
Así que no es tan grande como
el ITER pero sigue siendo
un dispositivo grande y esto
es lo que ellos consiguen.
Por consiguiente...
mejor en algunos aspectos
que JET, peor en otros.
Pero, notastes que el gasto es mucho menor.
En China, todos
sabemos, las cosas se pueden
construir más baratas. ¿Verdad?
Estos son muchos números, así
que, para unir estos números
los científicos de fusión
frecuentemente usan una sola métrica que
sólo multiplica estos números juntos.
Se llama n tau (la letrea griega) t.
De manera que simplemente
multiplicamos la densidad
por el tiempo de confinamiento
por la temperatura.
Obtienes una norma
aproximada de que tan bueno
es el plasma en quemar
combustibles para fusión.
De esta manera,
podemos comparar todos los
dispositivos que acabo de mencionar.
Los dispositivos que existen
en realidad—ITER no existe—
en la misma escala.
Esta es una escala logarítmica.
De manera que cada
uno de estos números
representa 10 veces más
logros que el de abajo.
Arriba, en la esquina esta la energía neta.
Estos son EAST, NIF y JET.
¿Qué hay de ITER?
Como dije, ITER no existe.
Así que hablamos sobre los
resultados de máquinas que existen.
Talvez una forma más fácil
de ver los mismos datos
es el gráfico de presión tiempo.
Claro está que la presión es solo un
producto de la densidad y la temperatura.
Así que en la carrera por
densidad, tiempo, temperatura
EAST lleva la delantera.
Pero hay una forma distinta de ver esto
que es ver los resultados finales. Cuanta
energía es extraída con un combustible
dado comparado a la energía introducida.
Así, la competencia luce bastante diferente
La energía neta está aquí
arriba, JET, EAST y NIF.
Entonces JET lleva la delantera.
Ahora, esto significa 5 órdenes de
magnitud, en el orden de un factor de
cien mil entre sus resultados usando
deuterio, tritio y la energía neta.
Eso es algo pesimista porque
cuando usas el deuterio y tritio
estos números se desplazan hacia
arriba por un factor de cien.
Por lo tanto, básicamente JET
le falta alrededor de
un factor de mil para
alcanzar la energía neta.
Más energía extraída con un combustible
determinado que energía introducida.
Ahora, hay otras propuestas
para tokamaks aún más
pequeños con campos
magnéticos aún más grandes.
Muchas de estas vienen de MIT.
Mi colega Bruno Coppi...uh...uno
está en construcción en Rusia.
Uh...el mismo MIT tiene
otra propuesta.
Pero ninguna de estas se
han construido todavía.
Además, hay otro proyecto relacionado en
Alemania llamado el W7-X stellarator.
Un stellarator es una máquina muy
complicada que, en verdad, tuerce
el campo magnético con todas estas
bobinas magnéticas diferentes.
Y ellos esperan obtener
una mayor estabilidad.
Este comenzó a operar este año en Alemania.
Y...uh...sus resultados son
comparables al de los tokamaks.
La Z-machine es de Z-pinch.
Este es uno de los conceptos
de fusión más antiguos,
en el cual, la corriente se
desplaza a lo largo del eje de
la máquina causando que el plasma
se comprima y se caliente.
Hablaremos más de este
efecto pinzamiento más
adelante al referirnos a
nuestro propio dispositivo.
La Z-machine es la máquina de
Z-pinch más grande del mundo.
Ustedes pueden ver las pequeñas
figuras de los hombres en esta foto.
Así que la Z-machine tiene una
temperatura muy elevada, 400 keV,
pero no con plasma de fusión,
sino, con alambres de metal.
El tiempo de confinamiento
es de 3,2 nanosegundos
por 10 elevado a la
potencia de 20 de densidad.
Energía de entrada—22
megajulios y la de salida
es 40 julios con un
costo de 140 millones.
Antes de ir al receso para
las preguntas, quiero hablar
sobre un dispositivo
de la carrera nueva.
LA NUEVA CARRERA DE FUSIÓN
PROYECTOS DE FUSIÓN CON
FINANCIACIÓN PRIVADA
PRINCIPALMENTE
La nueva carrera consiste de
muchos, enfoques no tradicionales
(en otras palabras, la mayoría
no financiados por el gobierno)
que dicen, básicamente, que es errado
cifrar las esperanzas en una sola solución.
Y ese fue el error básico de
todo el programa de fusión.
Desde los años de 1970, hace
cuarenta años, se tomó una decisión
prematura que indicaba que el
tokamak era el camino a seguir.
Y esa fue la gran equivocación al no
saber cuál era la vía correcta a seguir.
Uh...Bob Hirsch, quien estaba a
cargo del programa de investigación
de la energía de fusión en
Estado Unidos en aquel entonces,
subsecuentemente, ha habido un cambio
de parecer en los últimos 15 a
20 años. Le ha estado diciendo a la
gente: "Hemos cometido un gran error
el cual tenemos que corregir. Nosotros
tenemos que abrir el programa de fusión."
Así que...
comenzaremos con uno, porque solo uno
de estos esfuerzos alternativos
de fusión también está basado en
fusión neutrónica, fusión DT.
Y ese es el de nuestros
colegas en General Fusion.
General Fusion es una
empresa privada en Canada.
Ha sido financiada por un buen número
de personas incluyendo a Jeff Bezos.
Um...
como muchas de las ideas
que voy a describir,
es básicamente una máquina de 2 pasos.
Usa un proceso diferente para calentar
el plasma y para la compresión.
Ahora, en el caso de General Fusion,
lo que sucede es
que el plasma es producido
y es suministrado
al centro de un vórtice de litio fundido.
Litio es un metal que
se derrite a una temperatura muy
baja, así que es fácil de fundir.
Así que este es un vórtice de litio
en rotación que rodea el plasma.
Lo que es demostrado aquí.
Es bastante original, es un
despliegue de cientos
de pistones mecánicos
que al dispararse comprimirán
esta capa de litio.
El litio, a su vez, comprimirá
el...uh...plasma.
Por ello, la gente ha dicho que este es
como un enfoque steampunk a la fusión.
General Fusion recien ha
comenzado en probar esto,
aunque, han gastado $80
millones y, justamente,
ahora están consiguiendo
temperaturas de 0,4 keV
las cuales, son demasiado bajas para que
produzca cantidades medibles de fusión.
Por consiguiente, no podemos
compararlos en términos de
la energía extraída y de
la energía ingresada.
Pero, podemos compararlos en cuanto
a densidad, tiempo, y temperatura.
Y se ve ahora que General Fusion
tiene un largo trecho que recorrer
para alcanzar a los tradicionales.
Ahora, diré esto ahora y
lo repetiré varias veces,
esto es una instantánea de la carrera.
Aquí todos conocemos el cuento
de la tortuga y de la liebre.
Así que General Fusion todavía podría
alcanzar al resto y ganar la carrera.
Pero esto es—les estoy dando, básicamente,
como está la carrera al momento.
Entonces, en este momento
voy a—ya que vamos a
continuar con los enfoques
aneutrónicos—este es
un buen lugar para tomar
un receso para hacer
preguntas y luego regresaremos
a la presentación.
Subtítulos: Jose Andres Lopez
Acelerando la Energía de Fusión Avanzada
