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.

El director científico de ITER nos explica de qué va esto de ITER

http://cdsweb.cern.ch/record/1343736

“Fusion Plasma Physics in Magnetic Fusion,” DJ Campbell (la física básica de la fusión)

http://cdsweb.cern.ch/record/1344490

“Physics of Tokamak Plasmas,” DJ Campbell (detalles de la física de la fusión)

Las dos charlas de D.J. Campbell, director científico de ITER, en el CERN merecen la pena; en la primera nos cuenta los conceptos básicos (quizás ya los conozcas pero no está mal recordarlos) y la segunda profundiza en más detalles sobre la física de los plasmas en ITER, un laboratorio científico de fusión que nació en noviembre de 2006, que se empezó a diseñar 20 años antes; ITER pretende ser el proyecto clave para el desarrollo de una futura fuente de energía eléctrica basada en la fusión nuclear en tokamaks. La CEE, China, EE.UU., India, Japón, Rusia y Corea unieron sus esfuerzos científicos en fusión por confinamiento magnético en ITER, un laboratorio experimental en construcción en Cadarache, Francia (la sede de la Empresa Común Europea ‘Fusion for Energy’ que lidera ITER tiene su sede en Barcelona, España). ITER quiera estudiar la fusión D-T (deuterio-tritio), demostrando que es una vía posible; no será fácil lograr un rendimiento Q>10  (Q es el cociente entre la energía de salida tras la ignición y la energía de entrada para lograrla) durante unos cientos de segundos. No será fácil, pero en mi opinión es una vía que tenemos que explorar.

http://cdsweb.cern.ch/record/1344809

“Fusion Technology for ITER, the ITER Project,” Guenter Janeschitz (por qué ITER es como es)

http://cdsweb.cern.ch/record/1344810

“Further Development Towards a DEMO Fusion Power Plant,” Guenter Janeschitz (sobre DEMO, el futuro de ITER)

Guenter Janeschitz nos explica en estas dos charlas las tecnologías de fusión de ITER;  su primera charla trata de justificar por qué ITER es como es (comparándolo con ITER98, una máquina más grande que hubo que rediseñar para reducir su coste) y en su segunda charla nos explica las tecnologías que se estudiarán en ITER con el futuro desarrollo de DEMO en mente, el primer reactor de fusión (experimental). Guenter acaba su charla hablando de la “vía ultrarrápida hacia la fusión comercial” y estima que un programa tipo Apollo podría lograr un reactor de fusión comercial en un mínimo de 16 años, pero con un coste prohibitivo; la vía “normal” no ofrecerá un reactor comercial hasta como pronto 2050 y posiblemente no antes de 2060.

La fusión por confinamiento inercial, paso a paso, hacia la ignición

La fusión por confinamiento inercial ha pasado de ser una técnica para realizar pruebas seguras de armas nucleares a una candidata firme para la producción comercial de energía. Los reactores de fusión nuclear utilizan el combustible más abundante y barato (el agua del mar), no tienen emisiones de carbono y sus residuos nucleares son mínimos; todo son ventajas, pero la fusión nuclear tiene un gran inconveniente, nadie sabe si es viable. Nadie ha logrado mantener una reacción de fusión autosostenida por tiempo suficiente para garantizar su uso comercial como fuente de energía. Nadie sabe si algún día se logrará. Dos artículos en Science nos recuerdan que, tras sesenta años de investigación, se espera que en los próximos años se logre la ignición de un reactor de fusión por confinamiento inercial en el NIF (National Ignition Facility) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), una instalación láser que ha costado unos 3500 millones de dólares (muy barata comparada con el coste de ITER, el reactor de fusión por confinamiento magnético que se está construyendo en Cadarache, Francia. El objetivo principal de NIF no es la producción de energía, sino el estudio de armas nucleares, pero si se logra la ignición se espera un cambio radical en los objetivos de NIF. ¿Se lograra la ignición antes de que finalice la construcción de ITER? Los estadounidenses nunca pierden la esperanza y su revista estrella (Science) se hace eco de ello en Daniel Clery, “Inertial Confinement Fusion: Fusion Power’s Road Not Yet Taken,” Science 334: 445-448, 28 October 2011, y Daniel Clery, “Inertial Confinement Fusion: Step by Step, NIF Researchers Trek Toward the Light,” Science 334: 449-450, 28 October 2011.

El cambio climático, la disminución de las reservas de petróleo y la búsqueda de fuentes de energía alternativas son motivos más que suficientes para que los políticos se interesen en la fusión nuclear. Steven Chu, Secretario de Energía de EE.UU. y premio Nobel de Física, sigue con atención los esfuerzos del NIF y ha visitado el LLNL en varias ocasiones. Pero como dice Glen Wurden, del Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) en Nuevo México, la ignición en el NIF será como el primer vuelo de los hermanos Wright, un hito histórico pero “la madera, la tela y el alambre de los Wright están muy alejados de un Boeing 747 comercial.”

El láser del NIF dispara los pulsos más energéticos del mundo, de 1,8 millones de julios (MJ), pero un reactor comercial tendrá que realizar entre 10 y 16 disparos por segundo (unos 1,4 millones de disparos al día). Por ahora estos números son utópicos (de hecho la configuración actual solo …), el láser del NIF no está diseñado para lograr una frecuencia de disparos tan alta. Por ello los investigadores del NIF han propuesto una ruta alternativa, más rápida y de menor riesgo hacia un reactor comercial, el proyecto piloto denominado LIFE (Laser Inertial Fusion Energy). Su propuesta es construir un reactor de fusión en 12 años (una vez se demuestre la ignición en NIF). Por supuesto, hay muchos escépticos que creen que estos números son demasiado optimistas. La idea de LIFE es utilizar 192 láseres pequeños, en lugar de uno solo, cada uno de ellos de solo 8 kilojulios (kJ), totalizando unos 1,5 MJ. El gran problema de NIF (y de LIFE) es la eficiencia de la conversión de energía inyectada en la cápsula de combustible en energía útil para la ignición. Se estima una eficiencia del 25%, luego los 1,8 MJ se reducen a solo 0,4 MJ.

Los investigadores de los Laboratorios Sandia confían en que podrán mejorar la eficiencia de la conversión de energía láser en energía para la ignición mediante un fenómeno llamado pinzamiento axial (o Z pinch). Una corriente eléctrica muy fuerte a través de un plasma conductor produce un campo magnético alrededor del plasma que produce una fuerza que comprime el plasma. Si la cápsula con el combustible tiene la forma de un cilindro con deuterio y tritio, el pinzamiento axial podría lograr una eficiencia de conversión de energía muy alta. En los laboratorios Sandia se ha desarrollado la máquina Z (cuya fotografía abre esta entrada) que almacena una enorme cantidad de energía eléctrica y produce pulsos eléctricos muy cortos, unos 100 nanosegundos, pero muy intensos, de hasta 27 mega-amperios (MA). En la actualidad la máquina Z se utiliza para producir rayos X (y para ciertas aplicaciones militares). Una versión más energética de la máquina Z podría ser útil para producir la ignición de la fusión (las estimaciones teóricas actuales indican que se requiere un mínimo de 60 MA).

También se están investigando otras alternativas, como la técnica llamada magneto-fusión inercial, que combina confinamiento inercial y confinamiento magnético para ayudar a contener el plasma de deuterio y tritio. Por el momento estas alternativas están poco estudiadas y es muy difícil saber si son prometedoras, o solo parecen prometedoras.

Lo que todo el mundo tiene muy claro en el campo de la fusión por confinamiento inercial es que recabar financiación abundante de los gobiernos requiere demostrar que la ignición es posible, no solo en teoría, sino con una demostración práctica. La instalación que lo logre se convertirá en el candidato más prometedor y será el foco de la mayor parte de la financiación. Mientras tanto, las diferentes propuestas deben competir entre ellas para ver quien es la primera que logra la ignición. Todo el mundo es optimista con su propuesta favorita, pero el gobierno no puede permitirse financiar todas ellas en pie de igualdad.

La máquina Z de los Laboratorios Nacionales Sandia

Fotografías tan espectaculares como las que abre esta entrada y el secreto con el que se mantienen algunos de los experimentos militares que se realizan con la máquina Z llevan a mucha gente a pensar que la fusión nuclear por pinzamiento axial (Z pinch) será la vencedora de la carrera hacia la financiación a espuertas. Pero debemos poner los pies sobre la tierra. En realidad la imagen que abre esta entrada es una fotografía de larga exposición de arcos eléctricos (como los rayos de una tormenta) sobre la superficie de un tanque de agua; estos arcos son un subproducto de la operación de la máquina Z y no son un objeto de investigación en sí mismos. El grupo de Electromagnetismo de los Laboratorios Sandia está investigando la generación de rayos en tormentas pero utiliza otra instalación diferente, el Simulador de Rayos Sandia (Sandia Lightning Simulator), que puede producir rayos de hasta 200 kA (kiloamperios) y trenes de rayos de cientos de amperios separados por pocos milisegundos. Estos rayos son similares a los que se producen en las tormentas, por lo que su producción controlada en el laboratorio permite estudiar cómo afectan a los almacenes de cabezas nucleares, a los dipositivos electrónicos de control de misiles, aviones militares, aviones civiles, trenes, etc. Destaca en los Sandia su grupo de supercomputación paralela, el primero en el mundo que logró superar en simulaciones electromagnéticas 1 Tflop/s (un billón de operaciones flotantes por segundo). El siguiente vídeo os muestra la instalación de simulación de rayos (mucho menos espectacular que la fotografía de arriba).

Los Laboratorios Nacionales Sandia se crearon en 1949 para la investigación de las armas nucleares que fueron desarrolladas por el Proyecto Manhattan. El objetivo original de estos laboratorios era convertir la física nuclear desarrollada en Los Alamos y en los Laboratorios Nacionales Lawrence Livermore en armas nucleares. El fin de la guerra fría y la caída de la Unión Soviética conllevaron un lavado de cara de los Laboratorios Sandia que han reorientado una parte de su investigación a aplicaciones civiles. Y la aplicación civil estrella es la producción de energía “gratis” por fusión nuclear. El siguiente vídeo nos “vende” el programa de fusión nuclear en los laboratorios Sandia.

El siguiente vídeo de youtube os muestra la construcción de la máquina Z y para qué sirve.

La máquina Z es la estrella de los Laboratorios Sandia, pero hay gran número de otras instalaciones únicas en el mundo que compiten por ser las primeras en demostrar la ignición nuclear. Nadie puede saber cual será la que vencerá en esta competición. Pero lo que está claro es que este tipo de instalaciones tienen gran número de aplicaciones más allá de lograr la fusión, por ejemplo, la máquina Z estudia plasmas de alta densidad como los que hay en el interior de los planetas, de las estrellas y en otros objetos astrofísicos. Esta investigación fundamental es complementaria a su investigación aplicada. El siguiente vídeo nos lo cuenta.

En resumen, la fusión nuclear promete ser una fuente gratis de energía y la fusión por confinamiento inercial una alternativa factible para lograrla. Pero ya sabemos que la ignición sostenida de la fusión lleva varias décadas a 20 años vista y quizás siga estándolo. Es un proceso físico muy difícil de controlar y los avances de los últimos años nos hacen tener esperanzas, pero no a corto plazo… habrá que esperar todavía unos 20 años o quizás algunos más.

PS (5 nov. 2011): Gracias a Aitor os incluyo el vídeo de la mesa redonda “ITER y la Promesa de la Fusión Nuclear” en la Universidad Politécnica de Madrid, 27 de octubre de 2010. Antonio Rivera (Instituto de Fusión Nuclear, UPM) nos habla de fusión por confinamiento inercial (NIF y HiPER) y Franscisco Castejón (CIEMAT) de fusión por confinamiento magnético (ITER). Merece la pena ver la conferencia, aunque dura unas dos horas.

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.