Centrales de demostración de la fusión

La finalidad del ITER, el experimento de fusión más grande del mundo, es demostrar cómo se crea energía neta a partir de una reacción de fusión. El siguiente paso importante será demostrar que puede producirse electricidad neta a partir de la energía de fusión. Ahí es donde entran en juego las centrales de demostración de la fusión, también conocidas como DEMO.

Los reactores del tipo DEMO son más un concepto de dise?o que una configuración particular de un dispositivo de fusión. Aún no se han terminado los dise?os preliminares de las DEMO financiadas con capital público, en desarrollo en varios países. Esto se hará tras conocer los resultados de los experimentos del ITER.

Se prevé que las DEMO funcionen de forma casi constante para que produzcan más de 50 megavatios (MW) de ganancia neta de electricidad. Su principal desafío será encontrar el modo de mantener el plasma de fusión estable durante un lapso suficientemente prolongado para producir energía de forma continua.

Si bien aún quedan por resolverse muchas cuestiones con respecto a las DEMO, una DEMO pública será probablemente un reactor del tipo tokamak que utilizará como combustible isótopos pesados de hidrógeno —deuterio y tritio—. Sin embargo, las reservas de tritio disponibles en el mundo son limitadas y las DEMO deberán producir por sí mismas suficientes reservas de ese isótopo por medio de los llamados “mantos”, que producen y extraen tritio. También habrá que resolver los problemas relacionados con la carga, el consumo, el confinamiento, la extracción y la separación del tritio, dice Sheila González de Vicente, Física especializada en Fusión Nuclear del OIEA.

Otra gran diferencia entre los reactores del tipo DEMO y los actuales reactores experimentales será la incorporación de sistemas y tecnologías adecuados para capturar la energía de fusión y convertirla en electricidad.

“Los dispositivos del tipo DEMO exigen el dise?o y la integración de componentes y sistemas complejos que no forman parte de los actuales dispositivos experimentales de fusión. Se necesitan componentes como los mantos de producción de tritio, la generación de energía y el control de la combustión, entre otros” —dice Elizabeth Surrey, Jefa de Tecnología de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido—. “Las condiciones de funcionamiento de una DEMO son particularmente hostiles para los materiales, ya que el plasma en condiciones de quemado genera un alto flujo de neutrones y densidades de alta potencia en las paredes. Las DEMO requieren la creación de nuevos materiales y tecnologías”.

En diversos países, grupos de investigadores están examinando los conceptos y los enfoques de las DEMO. El OIEA facilita la coordinación internacional y el intercambio de prácticas óptimas mediante una serie de reuniones técnicas y, desde 2012, por intermedio de sus talleres periódicos del programa DEMO. Mediante esas plataformas se promueve el debate sobre cuestiones de física y tecnología, se facilita el intercambio de estrategias para los programas DEMO y se analizan posibles maneras de proceder. Con el paso del tiempo se ha atribuido menor importancia a las visiones amplias para concentrarse en los intrincados desafíos técnicos que han de superarse.

“Al concentrarse en la determinación de problemas y examinar las actividades de investigación y desarrollo en curso, la serie de reuniones técnicas del OIEA y los talleres del programa DEMO permiten a la comunidad definir los requisitos y analizar posibles soluciones en conjunto. Un ejemplo de ello es el surgimiento del importante problema del control del plasma en los dispositivos del tipo DEMO cuando se necesita una actividad prolongada o casi continua del plasma”, indica la Sra. Surrey, que desempe?ó funciones como Presidenta de los últimos tres talleres del programa DEMO, celebrados entre 2016 y 2019.

Si bien aún se están examinando diversas vías para lograr la electricidad basada en la fusión, existe amplio consenso respecto de los problemas científicos y tecnológicos que hay que resolver. Cada país tiene su calendario, pero el consenso general entre los científicos es que se puede construir y poner en funcionamiento un reactor del tipo DEMO que produzca electricidad para 2050.

En China se han logrado importantes avances en la planificación de su reactor de prueba de ingeniería de fusión (CFETR). Este dispositivo ayudará a colmar la brecha entre el ITER y las DEMO. Su construcción comenzará en la década de 2020, a la que seguirá la construcción de una DEMO en la década de 2030.

En Europa, EUROfusion está a cargo de la elaboración del dise?o de una DEMO. Este proyecto se encuentra actualmente en la fase de dise?o conceptual (2021-2027) y tiene por objeto demostrar la viabilidad tecnológica y económica de la fusión produciendo varios cientos de MW de electricidad neta.

La India anunció su plan de comenzar a construir para 2027 un dispositivo denominado SST-2 que permitirá poner a prueba los conceptos y componentes de un reactor para una DEMO y posteriormente, en 2037, comenzará la construcción de una DEMO.

El grupo japonés de dise?o especial conjunto para DEMO de fusión está trabajando en el estudio conceptual de una instalación DEMO estable (JA DEMO), cuya construcción debería comenzar alrededor de 2035.

En 2012, la República de Corea comenzó un estudio de dise?o conceptual para una “K-DEMO”, cuya construcción está prevista para 2037, con potencial para generar electricidad a partir de 2050. En la primera fase (2037-2050), K-DEMO se utilizará para desarrollar y poner a prueba componentes, los cuales se utilizarán ulteriormente. En la segunda fase, después de 2050, se espera que demuestre que es posible generar electricidad neta.

La Federación de Rusia prevé la construcción de una instalación híbrida de fusión y fisión denominada DEMO Fusion Neutron Source (DEMO-FNS), que recogerá neutrones producidos mediante fusión para convertir uranio en combustible nuclear y destruir los desechos radiactivos. La instalación, cuya construcción se prevé finalizar para 2023, forma parte de la estrategia acelerada del país para establecer una central de fusión para 2050.

En los Estados Unidos de América, expertos en materia de fusión acaban de publicar dos informes en los que se recomienda iniciar un programa nacional de investigación y tecnología, con la participación de alianzas público-privadas, para, en última instancia, dar viabilidad comercial a la fusión. Se prevé realizar esto entre 2035 y 2040, con el objetivo de posicionar al país como líder en materia de fusión y acelerar su transición a la energía con bajas emisiones de carbono para 2050.

En paralelo, varias empresas comerciales financiadas con capital privado también están avanzando en el desarrollo de conceptos para centrales de fusión, aprovechando los conocimientos técnicos generados tras a?os de actividades de investigación y desarrollo financiadas con capital público y proponiendo plazos aún más exigentes.