Crédito: CC0 Dominio público
El Departamento de Energía de los Estados Unidos informó gran avance científico en la ciencia de la fusión nuclear en diciembre de 2022. Por primera vez, se liberó más energía de una reacción de fusión de la que se usó para encenderla.
Si bien este logro es histórico, es importante hacer una pausa y reflexionar sobre el futuro de la energía de fusión.
Somos profesores de Ingeniería de Energía Sostenible y Renovable en la Universidad de Carleton, donde investigamos tecnologías y sistemas de energía alternativa que pueden llevarnos a un futuro bajo en carbono.
También enseñamos a nuestros estudiantes cómo navegar por terrenos traicioneros, desde hallazgos de laboratorio hasta aplicaciones del mundo real.
Definición de los límites del sistema
Queda por ver la viabilidad de una posible planta de energía de fusión. La ganancia de fusión neta informada en realidad requirió aprox. 300 megajulios de energía de entrada, que no se incluyó en los cálculos de la ganancia de energía. Este aporte de energía era necesario potencia de 192 láseresvino de la red eléctrica.
En otras palabras, el experimento usó tanta energía como la que usa un hogar canadiense típico en dos días. Por lo tanto, la reacción de fusión produce suficiente energía para encender solo 14 bombillas por hora.
Lo mismo se aplica a la fisión nuclear, que es una reacción dentro de las centrales nucleares actuales. La fisión completa de un kilogramo de uranio-235, el componente fisionable del combustible nuclear, puede producir aprox. 77 terajulios. Pero no podemos convertir toda esa energía en formas útiles como calor y electricidad.
En cambio, necesitamos diseñar un sistema complejo que pueda controlar la reacción en cadena de la fisión nuclear y convertir la energía producida en formas más útiles.
Esto es lo que hacen las centrales nucleares: utilizan el calor generado durante la reacción de fisión nuclear para generar vapor. Este vapor mueve una turbina conectada a un generador eléctrico que genera electricidad. La eficiencia general del ciclo es inferior al 40%.
Además, no todo el uranio contenido en el combustible se quema. El combustible gastado todavía contiene alrededor del 96% del uranio total y alrededor de una quinta parte del contenido de uranio-235 fisionable.
Es posible aumentar la cantidad de uranio utilizado en nuestra flota actual, es un área de trabajo en curso, pero plantea enormes desafíos de ingeniería. El enorme potencial energético del combustible nuclear está actualmente limitado por los desafíos de ingeniería para convertir esta energía en una forma utilizable.
De la ciencia a la ingeniería
Hasta hace poco, la fusión se veía principalmente como un experimento científico más que como un desafío de ingeniería. Está cambiando rápido y los reguladores están investigando actualmente cómo puede llevarse a cabo la implementación en el mundo real.
Independientemente del rendimiento de la futura planta de energía de fusión, llevar la conversión de energía de la ciencia al mundo real requerirá superar muchos desafíos.
Debido a que la fisión enfrentó muchos de los mismos desafíos que enfrenta hoy, podemos aprender mucho de su historia. La fisión también tuvo que pasar de la ciencia a la ingeniería antes de que pudiera despegar una industria comercial.
La ciencia de la energía de fusión, como la de la fisión nuclear, tiene sus raíces en los esfuerzos por desarrollar armas nucleares. Vale la pena señalar que varios de los físicos nucleares que ayudaron a desarrollar la bomba atómica querían “para demostrar que este descubrimiento no era solo un arma“.
Historia temprana de la energía nuclear estaba lleno de optimismo—declaraciones de que la tecnología continuará desarrollándose y podrá satisfacer nuestra creciente demanda de energía. Eventualmente, surgiría la energía de fusión y la electricidad se volvería “demasiado barata para medirla”.
Conocimientos adquiridos
¿Qué hemos aprendido en los últimos 70 años desde el surgimiento de la energía nuclear? Primero, nos enteramos de el riesgo potencialmente devastador de la adicción a la tecnologíaqué sucede cuando una industria se vuelve dependiente de un producto o sistema en particular.
Los reactores de fisión de agua ligera de hoy en día, reactores que utilizan agua corriente en lugar de agua enriquecida con un isótopo de hidrógeno, son un ejemplo de esto. Fueron elegidos no porque fueran los más deseables, sino por otras razones.
Estos factores incluyen subsidios gubernamentales que favorecieron estos proyectos; intereses de la Marina de los EE.UU. desarrollo de reactores de agua a presión más pequeños para submarinos y buques de superficie; avances en la tecnología de enriquecimiento de uranio como resultado del programa de armas nucleares de EE.UU.; incertidumbre sobre los costos nucleares que llevó a suponer que los grandes reactores de agua ligera eran simplemente versiones ampliadas de los más pequeños; Y conservadurismo con respecto a las opciones de diseño teniendo en cuenta los altos costes y riesgos asociados al desarrollo de la energía nuclear.
Desde entonces, hemos estado luchando para cambiar a otras tecnologías.
En segundo lugar, aprendimos que el tamaño importa. Los reactores grandes cuestan más para construir por unidad de potencia que las unidades más pequeñas. En otras palabras, los ingenieros malinterpretaron el concepto de economías de escala y condenaron su industria al fracaso.
Los grandes proyectos de infraestructura son sistemas extremadamente complejos que dependen de una enorme mano de obra y coordinación. Se pueden administrar, pero tienden a exceder el presupuesto y retrasarse. Las tecnologías modulares se caracterizan por una mejor asequibilidadcontrol de costos y ahorros, pero los reactores nucleares micro y pequeños también enfrentarán desafíos económicos.
Tercero, se deben desarrollar regímenes regulatorios para las fusiones. Si la industria se une demasiado rápido en torno a un proyecto de primera generación, las consecuencias para la regulación de futuros reactores podrían ser graves.
En cuarto lugar, la elección de la ubicación de las nuevas centrales eléctricas y la aceptación social son cruciales. La fusión tiene una ventaja porque su tecnología es una pizarra más limpia que la fisión en lo que respecta a la opinión pública. Las asociaciones positivas que la sociedad tiene con la fusión deben sustentarse mediante decisiones de diseño y adopción prudentes. mejores prácticas de compromiso social.
Lo mismo ocurre con la forma en que la industria elige abordar el desafío de los residuos. Sin embargo, los reactores de fusión generan grandes cantidades de residuos. no es el mismo tipo de fisión.
Llamada a la acción
Nuestra investigación sobre innovaciones en energía nuclear muestra que los desafíos que enfrenta la fusión se pueden superar, pero requieren un liderazgo reflexivo, décadas de investigación, una financiación significativa y un enfoque en el desarrollo de tecnología.
Se necesitan miles de millones de dólares para desarrollar tecnología de fisión, y tenemos mucha más experiencia en fisión que en fusión. Los gobiernos, las empresas energéticas y los empresarios deben mostrar apetito por la financiación.
La promesa de Fusion es enorme, y se está realizando un trabajo emocionante para expandirla más allá de este avance reciente, incluso mediante compañías privadas. Se necesitan décadas de investigación y desarrollo antes de que la fusión nuclear pueda hacer una contribución significativa a nuestro sistema energético.
Nuestro mensaje principal es un llamado a la acción: los ingenieros de fusión, los investigadores, la industria y el gobierno deben unirse para explorar y mitigar los desafíos que enfrenta la fusión, incluido el diseño de plantas de energía de primera generación.
Nada puede reemplazar una descarbonización profunda y rápida del sistema energético si queremos salvar a nuestro planeta de una catástrofe climática. Estamos orgullosos de capacitar a la próxima generación de ingenieros energéticos para diseñar nuevas y mejores soluciones energéticas.
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