Esta es una vista de cerca de un sistema de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X que se usa en el Laboratorio Nacional de Idaho para medir la química de la superficie en un material candidato potencial para usar en la fusión.
Masashi Shimada ha estado investigando la fusión nuclear desde el año 2000, cuando se unió al programa de posgrado de la Universidad de California en San Diego. Actualmente es el científico principal en las instalaciones de Investigación Aplicada de Seguridad y Tritio (STAR) en el Laboratorio Nacional de Idaho, uno de los principales laboratorios de investigación científica del gobierno federal.
El campo ha cambiado mucho.
Al principio de su carrera, la fusión era a menudo el blanco de las bromas, si es que se hablaba de ella. «La fusión es la energía del futuro y siempre lo será» era el crack que Shimada escuchaba todo el tiempo.
Pero eso está cambiando. Docenas de nuevas empresas han recaudado casi $4 mil millones en fondos privados, según Fusion Industry Association, un grupo comercial de la industria.
Los inversores y la secretaria del Departamento de Energía, Jennifer Granholm, han llamado a la energía de fusión el «santo grial» de la energía limpia, con el potencial de proporcionar energía casi ilimitada sin liberar gases de efecto invernadero y sin el mismo tipo de residuos radiactivos de larga duración que la fisión nuclear. posee.
Hay una gran cosecha de científicos nuevos y jóvenes que trabajan en fusión, y están inspirados.
“Si hablas con los jóvenes, creen en la fusión. Lo lograrán. Tienen una mentalidad muy positiva y optimista”, dijo Shimada.
Por su parte, Shimada y su equipo están investigando ahora sobre el manejo del tritio, un combustible popular que muchas empresas emergentes de fusión están buscando, con la esperanza de preparar a EE. UU. para una nueva y audaz industria de fusión.
«Como parte de la nueva ‘visión audaz’ del gobierno para la comercialización de la fusión, el manejo y la producción de tritio serán una parte clave de su investigación científica», dijo a CNBC Andrew Holland, director ejecutivo de Fusion Industry Association.
masashi shimada
Foto cortesía del Laboratorio Nacional de Idaho
Estudiar la cadena de suministro de tritio
La fusión es una reacción nuclear cuando dos núcleos atómicos más ligeros se juntan para formar un solo núcleo más pesado, liberando «cantidades masivas de energía». Así es como se alimenta el sol. Pero controlar las reacciones de fusión en la Tierra es un proceso complicado y delicado.
En muchos casos, los combustibles para una reacción de fusión son el deuterio y el tritio, que son formas de hidrógeno, el elemento más abundante en el universo.
El deuterio es muy común y se puede encontrar en el agua de mar. Si la fusión se logra a escala en la Tierra, un galón de agua de mar tendría suficiente deuterio para generar tanta energía como 300 galones de gasolina, según el Departamento de Energía.
El tritio, sin embargo, no es común en la Tierra y tiene que ser producido. Shimada y su equipo de investigadores en el Laboratorio Nacional de Idaho tienen un pequeño laboratorio de tritio a 55 millas al oeste de Idaho Falls, Idaho, donde estudian cómo producir el isótopo.
“Dado que el tritio no está disponible en la naturaleza, tenemos que crearlo”, dijo Shimada a CNBC.
Actualmente, la mayor parte del tritio que usa Estados Unidos proviene del laboratorio nuclear nacional de Canadá, dijo Shimada. «Pero realmente no podemos confiar en esos suministros. Porque una vez que lo usa, si no recicla, básicamente usa todo el tritio», dijo Shimada. «Así que tenemos que crear tritio mientras hacemos funcionar un reactor de fusión».
Hay suficiente tritio para apoyar la investigación y los proyectos piloto de fusión, pero su comercialización requeriría cientos de reactores, dijo Shimada.
«Es por eso que tenemos que invertir ahora mismo en tecnologías de ciclo de combustible de tritio» para crear y reciclar tritio.
Un científico del Laboratorio Nacional de Idaho, Chase Taylor, mide la química de la superficie de un material potencial para usar en fusión con espectroscopía de fotoelectrones de rayos X.
Foto cortesía del Laboratorio Nacional de Idaho
Protocolos de seguridad
El tritio es radiactivo, pero no de la misma manera que lo es el combustible para los reactores de fisión nuclear.
«La descomposición radiactiva del tritio toma la forma de un emisor beta débil. Este tipo de radiación puede ser bloqueada por unos pocos centímetros de agua», dijo a CNBC Jonathan Cobb, portavoz de la Asociación Nuclear Mundial.
La vida media, o el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de un material radiactivo, es de unos 12 años para el tritum, y cuando se desintegra, el producto liberado es helio, que no es radiactivo, explicó Cobb.
En comparación, la reacción de fisión nuclear divide el uranio en productos como yodo, cesio, estroncio, xenón y bario, que son radiactivos y tienen vidas medias que van desde días hasta decenas de miles de años.
Dicho esto, todavía es necesario estudiar el comportamiento del tritio porque es radiactivo. En particular, el Laboratorio Nacional de Idaho estudia cómo el tritio interactúa con el material que se usa para construir una máquina que contiene fusión. En muchos casos, se trata de una máquina con forma de rosquilla llamada tokamak.
Para que ocurra una reacción de fusión, las fuentes de combustible deben calentarse hasta convertirse en plasma, el cuarto estado de la materia. Estas reacciones ocurren a temperaturas excepcionalmente altas, tan altas como 100 millones de grados, lo que potencialmente puede afectar la cantidad y la rapidez con la que el tritio puede ingresar al material que contiene el plasma, dijo Shimada.
La mayoría de los recipientes de reacción de fusión están hechos de acero inoxidable especial con una fina capa de tungsteno en el interior. «Se eligió el tungsteno porque tiene la solubilidad de tritio más baja en todos los elementos de la tabla periódica», dijo Shimada.
Pero los neutrones de alta energía que se generan a partir de la reacción de fusión pueden causar daños por radiación incluso en el tungsteno.
Aquí, en el Laboratorio Nacional de Idaho, un colaborador de los Laboratorios Nacionales Sandia, Rob Kolasinski, está trabajando con una guantera para el Experimento Tritium Plasma.
Foto cortesía del Laboratorio Nacional de Idaho
La investigación del equipo está destinada a brindar a las empresas de fusión un conjunto de datos para determinar cuándo podría suceder eso, para que puedan establecer y medir la seguridad de sus programas.
«Podemos hacer una reacción de fusión durante 5 o 10 segundos probablemente sin preocuparnos demasiado» sobre el material que se usaría para contener la reacción de fusión, dijo Shimada a CNBC. Pero para la producción de energía a escala comercial, sería necesario mantener una reacción de fusión a altas temperaturas durante años.
«El objetivo de nuestra investigación es ayudar al diseñador de reactores de fusión a predecir cuándo la acumulación de tritio en los materiales y la permeación de tritio a través del recipiente alcanzan niveles inaceptables», dijo Shimada a CNBC. «De esta manera, podemos establecer protocolos para calentar los materiales (es decir, hornear) y eliminar el tritio del recipiente para reducir los riesgos de una posible liberación de tritio en caso de accidente».
Si bien el Laboratorio Nacional de Idaho está investigando el comportamiento del tritio para establecer estándares de seguridad para la floreciente industria, sus desechos son mucho menos problemáticos que las instalaciones nucleares de fisión actuales. El gobierno federal ha estado estudiando cómo crear un depósito permanente para desechos basados en la fisión durante más de 40 años y aún tiene que encontrar una solución.
«La fusión no crea ningún desecho nuclear radiactivo de larga duración. Esta es una de las ventajas de los reactores de fusión sobre los reactores de fisión», dijo Shimada a CNBC.