El comité STAC recomienda retrasar la inyección de combustible en el ITER hasta 2027

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En el año 2010 se esperaba que la inyección del primer combustible nuclear en el mayor tokamak del mundo, ITER, aún en construcción en Cadarache, Francia, sería en el año 2020, tras lo cual se ejecutaría un programa de investigación básica que nos llevaría a la producción neta de energía en 2027. Un comité de expertos ha recomendado que dicha fecha sea retrasada a 2027 y que se ejecute un programa ultrarrápido hacia la fusión que permita que en 2028 haya una producción neta de energía de 500 MW a partir de un consumo de sólo 50 MW, es decir, alcanzar un Q ≥ 10 durante unos pocos segundos en tan solo un año. El comité llamado STAC (ITER’s Science and Technology Advisory Committee) estima que se puede lograr todo ello con un gasto total de 15.000 millones de euros. En mi opinión el comité STAC es muy optimista (a la vista de los problemas financieros y técnicos que ha sufrido el ITER en el último lustro). Nos lo cuenta Declan Butler, “ITER keeps eye on prize. Construction delays force rethink of research programme, but fusion target still on track,” News, Nature, 15 Oct 2013.

En mi opinión, yo no soy experto ni mucho menos, en un solo año pasar del primer plasma tras la inyección de combustible (deuterio+tritio o DT) a la producción neta de energía me parece muy, pero que muy optimista. Pero no hay nada que sea imposible, si no está prohibido por las leyes de la física. El plasma de DT a 150 millones de grados Celsius aún oculta muchos secretos que requieren un programa de investigación básica ejecutado con rigor. No creo que acelerar la producción de energía a toda marcha, para posponer el programa de investigación básica a partir de 2028 sea una buena idea. Pero ojalá me equivoque y todo funcione a las mil maravillas (en fusión, hasta el día de hoy, nunca ha ocurrido).

Lo cierto es que un gran éxito, como sería lograr un Q ≥ 10 durantes unos segundos en 2028 tras la primera inyección de combustible en 2027, abriría un camino de rosas hacia el objetivo final de ITER, lograr un Q ≥ 10 durante entre 300 y 500 segundos, que sea repetible a un ritmo horario. Tras este gran éxito se podría ejecutar el programa de investigación básica que llevará a DEMO, el primer reactor de fusión “comercial” de demostración. Pero la física de los plasmas es muy complicada y el control de la turbulencia del plasma, evitando dañar las paredes de contención del reactor y garantizando la estabilidad necesaria para un producción sostenida de energía, todavía parece casi una utopía. Pero una utopía que los físicos haremos realidad durante la primera mitad del siglo XXI, pongo mi mano en el fuego.

Importante recorte en la financiación del proyecto NIF de fusión por confinamiento inercial

Arnold Schwarzenegger, gobernador de California, en la inauguración del proyecto de fusión del National Ignition Facility (NIF), el láser más poderoso del mundo, afirmó en 2009 que este laboratorio dejaría obsoletas las predicciones de “sus amigos de Hollywood. La energía de fusión será la que sostenga a las generaciones futuras.” Pero como ya os conté el 20 de septiembre, el “NIF no ha logrado la ignición de la fusión y se encuentra en una encrucijada de financiación.” El Congreso de los EEUU ha decidido retomar el programa armamentístico del NIF (simular armas nucleares) y relegar el proyecto civil de fusión por confinamiento inercial (NIC) a un segundo plano. Tras seis años de intentos infructuosos, los responsables del Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL), Livermore, California, donde tiene su sede el NIF, han anunciado que aún se encuentran muy lejos de lograr la “ignición” prometida. El gobierno de EEUU financiará el programa de fusión del NIF con solo 280 millones de dólares al año, con el objetivo de diseñar una nueva estrategia hacia la fusión. Nos lo contó el editor de Nature en “Ignition switch,” Nature 491: 159, 08 November 2012, y Geoff Brumfiel, “Laser lab shifts focus to warheads. US ignition facility will devote less time to energy research,” Nature 491: 170-171, 08 November 2012.

¿Era realista el objetivo del NIF de demostrar la ignición de la fusión en seis años? Quizás pecaron de optimistas; enfocar 192 láseres en una cápsula cilíndrica forrada de oro para focalizar 500 TW de energía en una pequeña esfera de isótopos de hidrógeno (deuterio y tritio) para lograr la fusión no parece fácil. De hecho, muchos investigadores criticaron la ruta para la fusión del NIF cuando se publicaron los primeros resultados, ya que el combustible de hidrógeno no estaba siendo comprimido correctamente y los códigos informáticos utilizados para predecir el rendimiento de la instalación daban resultados que diferían demasiado de las observaciones experimentales. Muchas voces críticas, pero desde el LLNL se insistía en que el objetivo era realista y podían cumplirlo. En apariencia todo marchaba a las mil maravillas. Pero solo en apariencia. En septiembre acabó el proyecto NIC sin éxito. Un proyecto que disponía del 80% del NIF (el 20% restante era de la NSSA, National Nuclear Security Administration, responsable de mantener el arsenal nuclear de EEUU), tendrá que conformarse a partir de ahora con menos del 50% (todavía no se ha publicado la cifra oficial). EEUU no renuncia a la vía de la fusión por confinamiento inercial, pero parece claro que apuesta por un enfoque más lento, más metódico, con pies más firmes, más en la línea de la fusión en tokamaks (que promete un reactor de fusión de demostración operativo para la década de 2050).

¿Hasta cuándo EEUU financiará la fusión por confinamiento inercial en el NIF? ¿Qué pasará cuando empiece a operar ITER a principios de 2021? Quizás la respuesta dependa  solo de cómo evolucione la crisis financiera internacional.

La ignición (con Q>1) de la fusión por confinamiento inercial queda fuera de la agenda del NIF para 2012

El año 2012 iba a ser el año de la ignición de la fusión en el  Instalación Nacional de Ignición (NIF); todo estaba planificado para ello, obtener a final de año un rendimiento total de 5 MJ (megajulios); sería la primera vez que se demostrase la ignición de la fusión por confinamiento inercial. Pero hay otras prioridades que van a retrasar esta investigación, hasta tal punto  que no se sabe si este objetivo de 2012 estará en la agenda del NIF para el año 2013. Así lo atestigua un documento no publicado al que han tenido acceso los editores de la revista Science. El problema no es el retraso de un año o dos en la agenda de la investigación en fusión en el NIF, ese problema es nimio, el problema es que mucha gente quiere leer entre líneas que este retraso es debido a que los responsables científicos del NIF no confían en lograr que la fusión sea una fuente de energía práctica, a que creen que el camino marcado por NIF no es el camino correcto. Yo no lo creo así, pero es mi opinión personal; conozco a mucha gente que utilizará este retraso como la mejor prueba posible (ahora) de que la fusión por confinamiento inercial es malgastar dinero a mansalvas. Penoso, pero cierto. Así nos lo cuenta Daniel Clery, “Energy: Laser Fusion Project Alters Goals, Fueling Concern Over Its Strategy,” Science 335: 23, 6 January 2012.

La fusión como fuente de energía tiene dos grandes vías de progreso, el confinamiento magnético, liderado por ITER, aún en construcción en Cadarache, y el confinamiento inercial inducido por láser, liderado por NIF, hasta que el proyecto HiPER de la CEE vea la luz. Las esperanzas de los investigadores en fusión de todo el mundo están puestas en NIF, hasta que ITER entre en funcionamiento (entre 2018 y 2020). El objetivo de NIF, financiado por el Departamento de Energía de EE.UU. (DOE), es utilizar 192 haces de luz del láser más potente del mundo para aplastar  una diminuta esfera de combustible en el centro de una cápsula cilíndrica (llamada hohlraum), hasta alcanzar temperaturas y presiones más altas que las que hay en el centro del Sol. No basta con lograr la ignición de la fusión, también hay que sostenerla durante un tiempo suficiente para que se fusione una fracción importante del combustible utilizado y se debe demostrar que se produce un saldo positivo de energía (una ganancia mayor de la unidad). Lograr estos objetivos es mucho más sencillo en la fisión (utilizada en los reactores de las centrales nucleares convencionales) pero en la fusión se requiere ir paso a paso.

Hasta el 21 de diciembre de 2011, los planes para el NIF durante el año 2012 eran los siguientes. A finales de marzo se tendría que lograr una evidencia firme de haber logrado la ignición, aunque con una ganancia Q<1. A finales de junio se esperaba demostrar una ganancia Q=1. Finalmente, a finales de septiembre se tendría que haber logrado una ganancia de energía, Q>1, de al menos unos 5 MJ (megajulios). El programa de investigación de NIF hacia la ignición (llamado NIC por National Ignition Campaign) que acabará en 2012 obtendría un éxito clave para el futuro de la fusión, que entraría en una nueva fase hacia un reactor de fusión comercial. Sin embargo, Edward Moses, director del NIF, presentó el 21 de diciembre los nuevos planes para 2012, que retrasan 3 meses cada una de las dos primeras etapas y excluyen la tercera etapa del NIC; la financiación para lograr la ignición de la fusión inercial con Q>1 pasa a tener un futuro  incierto. ¿Qué programa sustituirá a NIC? ¿Financiará el Congreso de los EE.UU. la continuación de un proyecto “fracasado” como NIC? Mucha gente augura grandes recortes en financiación para el NIF.

Edward Moses justifica el retraso en el proyecto NIC por la demanda de los otros usuarios de NIF, los interesados en las simulaciones de explosiones nucleares para asegurar la eficacia del arsenal nuclear, así como otros fines científicos (no especificados). Además, le ha quitado importancia a la etapa 5-MJ del NIC, asegurando que lograr Q=1 en 2012 ya es un gran objetivo cumplido para NIF; lograr una ganancia de 5 MJ debería ser solo una cuestión de afinar ciertos detalles técnicos.  Pero algunos dudan incluso de que se alcance Q=1 a finales de septiembre, cuando acabe la financiación del programa NIC. Si no se lograse, mucha gente cree que será muy difícil que NIF logre una segunda campaña de financiación con los “mismos” objetivos que NIC.

NIF ha sido polémico desde el principio. Los científicos de fusión pudieron proponer una máquina tan grande y costosa como NIF gracias a sus usos militares, pero compaginar estos estudios con el programa experimental de fusión no ha sido fácil. Además, muchos opinan que los objetivos en fusión de NIF eran demasiado ambiciosos, un salto demasiado grande respecto a los avances obtenidos en el pasado. Uno de los críticos más acérrimos es el físico Stephen Bodner, ya jubilado, que fue director de un programa de fusión láser en el NRL (Naval Research Lab); según Bodner el diseño “indirecto” de NIF no es adecuado (los láseres no inciden de forma directa sobre el combustible sino sobre el hohlraum, una cápsula que lo contiene); en su opinión, solo se logrará una ganancia Q>1 con un diseño “directo” (aunque dicho diseño requiere láseres más potentes). Otros críticos también apuntan a problemas con el diseño del hohlraum, que no garantiza una implosión simétrica del combustible.

Permíteme opinar, aunque mi opinión puede ser incorrecta. En EE.UU. toda instalación de investigación mixta, civil y militar, tiene un gran problema, los usuarios militares tienen prioridad sobre los civiles. Para el público general la NIF busca demostrar la ignición de la fusión nuclear por confinamiento inercial; pero en realidad la prioridad son las investigaciones militares de alto secreto. Para el público general los 3500 millones de dólares que ha costado el NIF, el sistema de láseres más potente del mundo situado en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), California, es una inversión justificada y necesaria para el futuro de la energía en EE.UU; pero NIF fue diseñado para investigaciones militares y su usos civiles son un simple “lavado de cara.” Para el público general es urgente obtener una solución al problema de la energía, al de la crisis de las reservas de combustibles fósiles y al del cambio climático; pero los militares tienen otra visión de la realidad.

Los problemas de financiación de la fusión nuclear por confinamiento magnético e inercial

La fusión nuclear es una de las rutas más prometedoras hacia una fuente abundante de energía limpia. Hay muchos proyectos de investigación en curso en el mundo pero los dos más importantes son ITER (en construcción cerca de Cadarache, Francia) que utiliza confinamiento magnético y NIF (cuya construcción finalizó en 2009) que utiliza confinamiento inercial. La crisis económica está afectando gravemente a ambos proyectos. ITER está considerado el proyecto científico más caro de la historia y se estima que acabará costando unos 15 000 millones de euros, como mínimo; este año Europa ha tenido problemas para pagar su contribución al ITER. NIF es mucho más barato (ha costado unos 3 500 millones de dólares). Nos lo cuenta David Kramer, “DOE looks again at inertial fusion as a potential clean-energy source,” Physics Today, March 2011. Por cierto, también en este blog: “Publicado en Nature: La unión europea desviará mil millones de euros del FP7 hacia el reactor de fusión ITER,” 7 julio 2010; “Publicado en Science: La Unión Europea no puede pagar su parte en la construcción del reactor de fusión ITER, que sufrirá un nuevo retraso,” 18 marzo 2010; “Publicado en Nature: ITER, una obra faraónica con dificultades de financiación,” 2 junio 2010;

La financiación de la ciencia depende de los políticos de turno mucho más que de los propios científicos. El DOE (Departament of Energy) de los EE.UU. financia gran parte de la investigación en nuevas fuentes de energía y ha vuelto de nuevo su mirada hacia la fusión inercial. El gran proyecto de EE.UU. en esta tecnología es el NIF (National Ignition Facility), la gran competencia de la colaboración internacional ITER, aún en construcción en Francia. El NIF finalizó su construcción en 2009 (costó unos 3500 millones de dólares) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y aún no ha logrado iniciar la fusión (la ignición); se espera que lo logre en los próximos años y que además demuestre alguna ganancia en energía (ahora mismo es un saco sin fondo en cuanto a consumo de energía).

En los últimos 50 años la fusión por confinamiento inercial ha avanzado de la mano de los militares (que la utilizan para simular explosiones termonucleares) pero ahora se considera como una ruta prometedora hacia las aplicaciones civiles. En el NIF se utilizan láseres de alta potencia que provocan la implosión de diminutas cápsulas de combustible (isótopos pesados de hidrógeno). El problema del NIF es lograr la ignición reiterada del combustible; en las pruebas de armamento nuclear se puede realizar una prueba al día y punto, pero si queremos obtener rendimientos de energía netos entre 50 y 100 (veces la energía necesaria para la ignición) debemos ser capaces de provocar la ignición con suficiente rapidez. El gran problema es el enfriamiento del láser entre cada par de disparos. Los científicos del LLNL ya han propuesto un nuevo láser de estado sólido, LIFE, que sustituirá al actual cuando se demuestre la ignición y permitirá disparos reiterados.

¿Logrará el NIF la ignición? Muchos lo dudan ya que aún no se controlan bien las inestabilidades del plasma que podrían evitar la ignición. ¿Se podrán abaratar los costos? En la actualidad se estima que un planta de fusión por confinamiento inercial costará unos 8000 millones de dólares, cuando una central nuclear pequeña cuesta sólo unos 1000 millones de dólares. ¿Puede pagar el DOE su contribución a dos proyectos en competencia como NIF y ITER? ¿Debe favorecer a uno de ellos? Sólo los políticos tienen la respuesta.

Publicado en Nature: ITER, una obra faraónica con dificultades de financiación

La energía de fusión es el futuro. La energía de fusión siempre está a 25 años vista. ITER es el futuro. ITER continúa a 25 años vista. ITER es un futuro demasiado caro en plena crisis financiera. El diseño original de ITER tuvo que ser modificado, para reducir sus costos. Cosas de la crisis de inicios de 1992. Ahora, la nueva crisis, vuelve a plantear un nuevo rediseño. El 26 de mayo de 2010 a los países de la Unión Europea, que pagarán el 45% del coste del ITER, les empezaron a temblar las piernas. “No siento las piernas,” dicen que dijo Merkel [es broma]. Se estima que el ITER costará 3 veces más de lo que se estimó en 2006. La Unión Europea tiene que aprobar 1400 millones de euros para cubrir su parte del presupuesto de ITER para los años 2012 y 2013. Son 27 estados miembros. Son 27 los que piensan que es demasiado dinero. La crisis pesa. La crisis pesa mucho. Annette Schavan, Ministra Alemana de Educación e Investigación, opina que habrá que rediseñar de nuevo la máquina, una versión menos ambiciosa. El 17 de junio la Unión Europea tiene que dar su última palabra. Si se niegan a pagar su parte, los otros seis países miembros de la colaboración ITER tendrán que tomar una decisión: correr ellos con los gastos o proponer un nuevo rediseño. ITER es el futuro. Siempre ha sido el futuro. ¿Será siempre el futuro? Nos lo cuenta Geoff Brumfiel, “Financial meltdown imperils reactor. Faced with a huge budget shortfall, Europe rethinks future of ITER fusion project,” News, Nature 465: 532-533, 28 May 2010.