El fiasco del ITER acelerará el progreso de la fusión

El Reactor Experimental Internacional Torus (ITER), un gigantesco dispositivo de fusión tokamak, ha sido aclamado como el mayor esfuerzo científico cooperativo de la historia, en el que participan miles de científicos e ingenieros de 35 países.

Una maravilla de la ingeniería, una vez terminado, el ITER pretende demostrar por primera vez la producción neta de energía a gran escala mediante reacciones de fusión y proporcionar el último paso hacia un prototipo de central eléctrica de fusión.

Pero desde el principio el tamaño y la complejidad alucinantes del sistema deberían haber hecho sonar la alarma. También el peligro de crear un monstruo burocrático.

Desde que comenzó su construcción en 2010, el ITER ha estado plagado de una serie prácticamente interminable de problemas y retrasos, retrasando una y otra vez la fecha prevista para su finalización. Inicialmente se suponía que el reactor entraría en funcionamiento en 2016, pero hoy en día la construcción aún continúa.

El último objetivo oficial era 2025. Pero en noviembre de 2022, el recién nombrado director del ITER, Pietro Barabaschi, informó al público que la fecha prevista de 2025 ya no era realista y que habían surgido problemas adicionales cuya resolución “no sería una cuestión de semanas”. , sino meses, incluso años”.

El año pasado se informaron defectos en dos de los componentes más importantes del reactor: las placas sectoriales que se soldarán entre sí para formar la vasija de vacío del reactor (su “cámara de combustión”) y el blindaje térmico del reactor.

La Autoridad de Seguridad Nuclear francesa ordenó detener el montaje del recipiente de vacío después de descubrir desalineaciones entre las superficies de soldadura de las dos primeras secciones del recipiente de 440 toneladas. Al parecer, estos habían sido dañados durante el tránsito desde Corea del Sur, donde fueron fabricados. Según se informa, los defectos en el blindaje térmico del reactor requerirán la retirada y sustitución de 23 kilómetros de tuberías de refrigeración.

Las dificultades de este tipo no son desconocidas en proyectos con muchas características únicas en su tipo. Pero cuando se suman a una serie interminable de contratiempos y retrasos en las décadas de historia del ITER, uno sólo puede considerar el proyecto como un fiasco.

Es posible que el ITER tenga todavía un final feliz, pero será diferente del previsto originalmente. Incluso suponiendo que la operación comenzara en 2025, el escenario oficial del ITER prevé 10 años adicionales de experimentos antes de que el reactor comience a operar con combustible de deuterio-tritio que genera reacciones de fusión.

Si todo va bien, podrían pasar otros cinco a diez años antes de que el ITER alcance el objetivo prometido de un “retorno de la energía” diez veces mayor (500 MW de potencia de fusión a partir de 50 MW de potencia de calefacción de entrada).

Incluso entonces, ITER no está diseñado para generar electricidad, sino sólo para sentar las bases para la construcción de un primer prototipo de planta de energía de fusión generadora de electricidad, denominada "DEMO". Si tiene éxito, la “DEMO” proporcionaría el punto de partida para plantas de fusión comerciales, que podrían entrar en funcionamiento a principios de la segunda mitad de este siglo.

No hace falta decir que este escenario –si es que es realizable– es intolerablemente largo.

¿Cómo afectará la triste historia del ITER a las perspectivas de la fusión?

Irónicamente, estoy convencido de que el fiasco del ITER en realidad acelerará, en lugar de ralentizar, el progreso hacia la realización práctica de la energía de fusión.

En el contexto de los desafíos energéticos y ambientales del mundo, está estimulando a los gobiernos y al capital privado a invertir más en escenarios alternativos que, en conjunto, prometen hacer realidad una energía de fusión comercialmente viable en una escala de tiempo mucho más corta.

Un indicio son los planes acelerados de China y Japón para construir sus propias plantas nacionales “DEMO”, sin necesariamente esperar a que lleguen los resultados del ITER. Ambas naciones tienen proyectos de reactores en marcha, que de hecho podrían sustituir el papel del ITER y acelerar desarrollo sobre la base de conocimientos y tecnologías que no existían cuando se aprobó el diseño final del ITER, en 2001.

Corea del Sur está diseñando un reactor “K-DEMO”, destinado a generar aproximadamente 2,2 GW de energía térmica y suministrar más de 500 MW a la red eléctrica.

Como estas naciones participan en ITER, los pronunciamientos sobre los reactores DEMO nacionales todavía los presentan, diplomáticamente, como sucesores del proyecto ITER. Pero hay un esfuerzo evidente por encontrar maneras de saltarse la interminable espera hasta que el ITER entre en funcionamiento y, al mismo tiempo, aprovechar el trabajo teórico y experimental llevado a cabo bajo el paraguas del ITER.

Desafortunadamente, en mi opinión, los planes de varias naciones para construir reactores DEMO adoptan todos el mismo modelo básico que el ITER: todos son dispositivos tokamak gigantes y ampliados.

Basándose en 70 años de experiencia con reactores tokamak, este enfoque ultraconservador tiene un riesgo bajo en lo que respecta a la producción de grandes cantidades netas de energía de fusión, pero un riesgo muy alto de terminar con sistemas que son inútiles como modelos para plantas de energía comercialmente viables.

Este último riesgo sólo puede evitarse introduciendo innovaciones revolucionarias en el enfoque "clásico" del tokamak o cambiando a diseños alternativos.

La comprensión de que el escenario ITER es un largo callejón sin salida, en lo que respecta a la producción de energía comercialmente viable, es sin duda un factor que contribuye a la avalancha sin precedentes de capital privado hacia tecnologías de fusión alternativas. Estos van desde tokamaks compactos de alto campo hasta diseños revolucionarios como el reactor de fusión magnetoinercial de Helion Energy y los reactores de protón-boro impulsados ​​por láser de pulso ultracorto.

En los últimos tres años se han destinado más de 4.000 millones de dólares de dinero privado a la fusión, más de lo que el gobierno de Estados Unidos gastó en todas las actividades civiles de fusión en el mismo período.

Naturalmente, el entusiasmo de los inversores se ha visto alentado aún más por el logro, en diciembre de 2022, de un “punto de equilibrio científico” en experimentos de fusión láser en la Instalación Nacional de Ignición de EE. UU. Aunque este logro constituye más un hito que un verdadero avance, ha transformado la percepción pública de la fusión, transmitiendo la sensación de que el poder de fusión está en proceso de convertirse en una realidad concreta en lugar de una mera posibilidad remota.

Vale la pena señalar que el rápido crecimiento de la industria privada de fusión habría sido imposible si los “veteranos” de la fusión no hubieran emigrado de los laboratorios gubernamentales al sector privado, llevando consigo conocimientos e ideas invaluables.

En muchos casos, los proyectos con financiación privada son consecuencia de experimentos sobre tipos de reactores alternativos prometedores, llevados a cabo originalmente en laboratorios patrocinados por el gobierno, pero luego descartados en el contexto de los recortes presupuestarios y la creciente prioridad otorgada al enfoque del "gran tokamak" para fusión, dando lugar al ITER.

En mi opinión, el proyecto ITER estuvo mal concebido desde el principio, predestinado más a obstaculizar que a promover la rápida realización de la energía de fusión. Entre otras cosas, el estatus preeminente otorgado al ITER en la investigación internacional sobre la fusión ha proporcionado una excusa para desfinanciar trabajos en otras direcciones.

Al adoptar la imprudente política de “poner todos los huevos en una sola canasta”, Estados Unidos y la Unión Europea han llegado a considerar la participación en ITER como un sustituto de la realización de programas independientes a nivel nacional. Actualmente, la mayor parte del apoyo gubernamental a la investigación sobre la fusión en todo el mundo se destina a actividades relacionadas con el proyecto ITER.

Desde el principio, el ITER estuvo estrechamente vinculado con la política internacional de alto nivel, lo que no favorece una toma de decisiones imparcial.

El concepto de un proyecto internacional para desarrollar la energía de fusión con fines pacíficos se planteó en la famosa cumbre de Ginebra entre el presidente Ronald Reagan y el secretario general soviético Mikhail Gorbachev en noviembre de 1985 y se incluyó en su declaración conjunta.

La idea se concretó en un acuerdo de 1986 entre Estados Unidos, la URSS, la UE y Japón para diseñar conjuntamente un gran reactor de fusión. Posteriormente se sumaron al proyecto China, la República de Corea y la India.

Desafortunadamente, la decisión a favor de construir un reactor tokamak “clásico” de dimensiones gigantescas se produjo bajo la influencia de un poderoso lobby dentro de la comunidad de la fusión, a expensas de una amplia búsqueda de enfoques alternativos. Políticamente hablando, un solo esfuerzo espectacular es más atractivo que un programa de investigación “anónimo”, por muy bien concebido que esté.

Por supuesto, hay motivos para esperar que el ITER, una vez terminado, consiga finalmente lograr una gran producción neta de energía térmica mediante reacciones de fusión. Sin embargo, es muy improbable que un sistema de este tamaño y complejidad pueda convertirse alguna vez en una fuente de energía comercialmente viable.

Aquí es importante tener en cuenta que, contrariamente a su imagen pública, la misión principal del ITER no era servir como modelo realista para plantas comerciales de energía de fusión, sino más bien generar conocimiento científico y desarrollar y probar componentes y tecnología juzgados. importante para el futuro diseño de reactores de fusión productores de energía.

Desafortunadamente, los retrasos de una década han reducido en gran medida la relevancia del ITER para la carrera de fusión en curso. Y cuando el ITER entre en funcionamiento, quedará obsoleto en muchos aspectos.

Recordemos nuevamente la historia del proyecto ITER: el trabajo de diseño conceptual del reactor comenzó en 1988, seguido de una serie de fases de diseño de ingeniería y el diseño final fue aprobado 15 años después, en 2001.

Mientras tanto, la ciencia y la tecnología relacionadas con la fusión han progresado enormemente. Si hoy en día se diseñara el mismo tipo de reactor, es casi seguro que tendría un aspecto bastante diferente.

Esto no habría sido tan problemático si el reactor hubiera entrado en funcionamiento en 2016. Pero hoy, dos décadas después del diseño final, el reactor aún no está terminado y el costo total proyectado se ha multiplicado muchas veces, alcanzando una cifra estimada de diversas formas como entre 22 y 50 mil millones de dólares.

Puede parecer una gran cantidad de dinero, pero incluso teniendo en cuenta la explosión de costes del ITER, la investigación sobre la fusión lleva mucho tiempo sin financiación suficiente en relación con su importancia para el mundo del mañana. Irónicamente, el fiasco del ITER es en gran medida producto de esta falta crónica de financiación.

Actualmente, el apoyo del gobierno de Estados Unidos a la investigación sobre la fusión (incluida la fusión por confinamiento magnético y la fusión por confinamiento inercial) representa menos del 0,005% del PIB. En su punto más alto, a principios de los años 1980, el presupuesto de fusión correspondía aproximadamente al 0,008% del PIB.

Sin embargo, la diferencia es más significativa de lo que indican las meras cifras. A diferencia de hoy, hasta mediados de la década de 1980, el gobierno de Estados Unidos había financiado una amplia gama de diferentes enfoques de fusión, además del tokamak "clásico" y la fusión por láser. De hecho, la fusión –a diferencia de la fisión– puede realizarse en principio de muy diversas maneras.

Pero a partir de 1985 –el mismo año de la cumbre Reagan-Gorbachev– el presupuesto estadounidense para la fusión se redujo drásticamente. El programa se fue “reduciendo” progresivamente. Los proyectos fueron retirados de financiación, uno tras otro, e incluso cerrados por completo.

(En este artículo me concentro en la fusión por confinamiento magnético. El dominio del confinamiento inercial, del cual la fusión por láser es sólo el ejemplo más conocido, también fue sometido a un desastroso proceso de “adelgazamiento”. Esa historia sigue una pista separada, y no entraré en ello aquí.)

Un horrible ejemplo de reducción es el destino del Mirror Fusion Test Facility (MFTF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, un prometedor dispositivo de fusión por confinamiento magnético con una configuración radicalmente diferente a la de un tokamak.

El proyecto MFTF se cerró en 1986, el mismo día en que se completó la construcción del reactor. Sin presupuesto operativo, los miembros del personal perdieron sus puestos de trabajo de la noche a la mañana. No se llevaron a cabo experimentos con el dispositivo, cuya construcción había costado el equivalente a más de mil millones de dólares actuales.

En 1997, los recortes presupuestarios llevaron al cierre prematuro del reactor de prueba de fusión Tokamak (TFTR), que había alcanzado niveles récord de generación de energía de fusión. Dos años antes de su cierre, TFTR también alcanzó una temperatura récord mundial de 510 millones de °C. Afortunadamente, los resultados obtenidos tras 15 años de funcionamiento sirvieron de base para dispositivos posteriores, como el JT-60 de Japón.

Un caso más reciente es el reactor Alcator C-Mod del MIT, un dispositivo tokamak radicalmente diferente de los tokamaks de tipo “clásico” y caracterizado por un tamaño compacto y campos magnéticos extremadamente altos. Este dispositivo fue el último de toda una serie de dispositivos, que se remonta a principios de la década de 1970, basados ​​en el trabajo del brillante físico italoamericano Bruno Coppi. Aunque tuvo un gran éxito (habiendo alcanzado el récord mundial de presión de plasma en un dispositivo de confinamiento magnético, por ejemplo), Alcator C se cerró en 2016 sin ningún proyecto posterior.

Afortunadamente, la empresa Commonwealth Fusion ha retomado el trabajo sobre el método del tokamak compacto de alto campo, con la ayuda de capital privado. Escribí sobre el proyecto actual en un artículo anterior (https://asiatimes.com/2020/10/changing-the-rules-of-nuclear-fusion/).

La política de Estados Unidos, Europa y otros gobiernos de poner todos (o la mayoría) de sus huevos en la canasta única del ITER es a la vez un resultado y una causa del abandono de un enfoque de base amplia para lograr la fusión, que incluiría una financiación adecuada. tanto para los enfoques “principales” como para los alternativos.

Algunos escépticos señalarán las dificultades del ITER como una prueba más de que la energía de fusión es, en el mejor de los casos, una perspectiva muy lejana (o incluso no realizable en absoluto). Esto no tiene sentido.

Desde finales de la década de 1960, gracias a décadas de trabajo en docenas de dispositivos tokamak, el valor logrado experimentalmente del llamado triple producto de fusión –el parámetro crucial que mide el progreso hacia la generación neta de energía mediante reacciones de fusión– se ha duplicado en promedio cada 1,8 años. Esto es incluso más rápido que la famosa “Ley de Moore” para el desarrollo de chips semiconductores.

En las primeras décadas de la investigación sobre la fusión, el triple producto estaba muchos órdenes de magnitud por debajo del nivel mínimo para el llamado equilibrio científico (más energía liberada por las reacciones de fusión que energía aportada por los sistemas de calentamiento de plasma).

Hoy en día, los reactores experimentales se encuentran a un factor de 10 del valor umbral. Si la tendencia a la duplicación continúa (y no hay motivos para pensar que no pueda ser así), el valor umbral probablemente se superará en unos pocos años y los valores más altos necesarios para una producción de energía viable estarán a sólo unos años de distancia.

Naturalmente, esto supone esfuerzos bien financiados y de amplia base por parte de las naciones líderes en la fusión, que involucran una multitud de dispositivos, en lugar de "poner todos los huevos en una sola canasta".

Mientras tanto, la generación de cantidades sustanciales de energía mediante reacciones de fusión, a niveles de potencia de varios megavatios, quedó demostrada ya en los años 1990 por los dos reactores tokamak: el Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) en Princeton y el Joint European Torus (JET) en Culham, Inglaterra.

En 1997, JET generó un récord de 16 MW de potencia de fusión a partir de reacciones de deuterio-tritio (DT) a temperaturas de 100 a 150 millones de grados. La potencia de calefacción de entrada era mayor (alrededor de 24 MW), pero el sistema se acercó a un factor de 1,5 del punto de equilibrio científico. En 2022, JET produjo una producción de energía récord de 60 megajulios, con un nivel de potencia promedio de 11 megavatios.

Hoy en día, varios dispositivos experimentales tokamak, como el EAST de China, funcionan de forma rutinaria a temperaturas de 100 millones de grados o más, suficiente para "quemar" combustible DT. Actualmente, la mayoría de ellos están realizando experimentos sin tritio, para evitar una gran radiación de neutrones y la necesidad de manipular tritio. De lo contrario, seguramente ya se habrían superado los récords anteriores.

Naturalmente, estas declaraciones no constituyen una “prueba” de que las plantas de energía de fusión viables puedan convertirse pronto en una realidad. Pero dan motivos para ser escépticos respecto de los escépticos.

No estoy sugiriendo que se deba abandonar el proyecto ITER, que está terminado aproximadamente en un 80%. Pero será necesario cambiar las prioridades y redefinir el papel del ITER en el contexto del esfuerzo de fusión global. Lo que hay que abandonar sobre todo es la hipótesis según la cual el ITER serviría de base para la construcción de un prototipo de central eléctrica de fusión que generaría electricidad. Es prácticamente seguro que estas plantas serán completamente diferentes del ITER.

Pero el dinero gastado en ITER no se va a perder. Ya ahora, años antes de que el reactor entre en funcionamiento, el proyecto ITER ha estimulado el desarrollo de la ciencia, la tecnología y la ingeniería de fusión de diversas maneras y ha contribuido al desarrollo de una cadena de suministro industrial para reactores de fusión.

Una vez completado, ITER generará una gran cantidad de conocimientos en física del plasma y otras áreas, y servirá como un valioso banco de pruebas para tecnologías relevantes para la fusión.

Es cierto que la investigación sobre la fusión es costosa y el proyecto ITER, excesivamente. Pero en lugar de quejarse del gasto, los gobiernos deberían preguntarse: ¿no vale la pena invertir unas milésimas del PNB de un solo año para crear una fuente de energía ilimitada?

Jonathan Tennenbaum (PhD, matemáticas) es ex editor de la revista FUSION y ha escrito sobre una amplia variedad de temas de ciencia y tecnología, incluidos varios libros sobre energía nuclear. También es colaborador internacional del Instituto de Filosofía e Historia de la Ciencia de la Universidad de Lisboa, trabajando en enfoques alternativos a la física cuántica.