La energía de fusión tiene el potencial de facilitar la transición energética desde los combustibles fósiles, mejorar la seguridad energética nacional e impulsar la inteligencia artificial. Empresas privadas ya han invertido más de 8.000 millones de dólares para desarrollar la fusión comercial y aprovechar las oportunidades que ofrece. Sin embargo, un reto urgente es el descubrimiento y la evaluación de materiales rentables que puedan soportar condiciones extremas durante períodos prolongados, incluyendo plasmas de 150 millones de grados y un intenso bombardeo de partículas.
Para afrontar este reto, el Centro de Ciencia del Plasma y Fusión (PSFC) del MIT ha puesto en marcha el Laboratorio Schmidt de Materiales en Tecnologías Nucleares, o LMNT (pronunciado “element”). Con el respaldo de un consorcio filantrópico liderado por Eric (Google y Apple) y Wendy Schmidt, el LMNT está diseñado para acelerar el descubrimiento y la selección de materiales para diversos componentes de centrales eléctricas de fusión.
Aprovechando la experiencia del MIT en fusión y ciencia de materiales, reutilizando la infraestructura de investigación existente y aprovechando su estrecha colaboración con empresas privadas líderes en fusión, el PSFC busca impulsar un rápido progreso en los materiales necesarios para la comercialización de la energía de fusión a corto plazo. LMNT también contribuirá al desarrollo y evaluación de materiales para centrales nucleares, experimentos de física de partículas de nueva generación y otras aplicaciones científicas e industriales.
Zachary Hartwig, director del LMNT y profesor asociado del Departamento de Ciencias e Ingeniería Nuclear (NSE), afirma que “hoy en día necesitamos tecnologías que desarrollen y prueben rápidamente materiales para impulsar la comercialización de la energía de fusión. La misión del LMNT incluye la ciencia de descubrimiento, pero busca ir más allá, ayudando en última instancia a seleccionar los materiales que se utilizarán para construir centrales eléctricas de fusión en los próximos años”.
Un enfoque diferente para los materiales de fusión
Durante décadas, los investigadores han trabajado para comprender el comportamiento de los materiales en condiciones de fusión mediante métodos como la exposición de muestras de prueba a haces de partículas de baja energía o su colocación en el núcleo de reactores de fisión nuclear. Sin embargo, estos enfoques presentan limitaciones significativas. Los haces de partículas de baja energía solo irradian la capa superficial más delgada de los materiales, mientras que la irradiación en reactores de fisión no reproduce con precisión el mecanismo por el cual la fusión daña los materiales. La irradiación de fisión también es un proceso costoso, que requiere varios años de investigación y requiere instalaciones especializadas.
Para superar estos obstáculos, investigadores del MIT e instituciones similares están explorando el uso de haces energéticos de protones para simular el daño que sufren los materiales en entornos de fusión. Los haces de protones pueden ajustarse para que coincidan con el daño esperado en las centrales eléctricas de fusión, y los protones penetran lo suficientemente profundo en las muestras de prueba como para proporcionar información sobre cómo la exposición puede afectar la integridad estructural.
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También ofrecen la ventaja de la velocidad: en primer lugar, los haces de protones intensos pueden dañar rápidamente docenas de muestras de material a la vez, lo que permite a los investigadores analizarlas en días, en lugar de años. En segundo lugar, los haces de protones de alta energía pueden generarse con un tipo de acelerador de partículas conocido como ciclotrón, comúnmente utilizado en la industria de la salud. Como resultado, LMNT se construirá alrededor de un ciclotrón rentable y listo para usar, fácil de obtener y altamente confiable.
El LMNT rodeará su ciclotrón con cuatro áreas experimentales dedicadas a la investigación en ciencia de materiales. El laboratorio se está construyendo dentro de la gran bóveda de hormigón blindada del PSFC, que albergó el tokamak Alcator C-Mod, un experimento de fusión de récord que funcionó en el PSFC de 1992 a 2016. Al reutilizar el antiguo espacio del C-Mod, el centro evita la necesidad de nuevas construcciones extensas y costosas y acelera significativamente el cronograma de investigación.
Experiencia
El equipo de veteranos del PSFC, que ha liderado proyectos importantes como los tokamaks Alcator y el desarrollo avanzado de imanes superconductores de alta temperatura, supervisa el diseño, la construcción y la operación de las instalaciones, garantizando que el LMNT avance rápidamente del concepto a la realidad. El PSFC espera recibir el ciclotrón a finales de 2025, y las operaciones experimentales comenzarán a principios de 2026.
“LMNT marca el inicio de una nueva era en la investigación sobre fusión en el MIT, donde buscamos abordar los desafíos más complejos de la tecnología de fusión en plazos acordes con la urgencia del problema que enfrentamos: la transición energética”, afirma Nuno Loureiro, director del PSFC, profesor de ciencias e ingeniería nuclear y catedrático de Física Herman Feshbach. “Es ambicioso, audaz y crucial, y precisamente por eso lo hacemos”.
Lo emocionante de este proyecto es que combina los recursos actuales (una infraestructura de investigación sustancial, tecnologías disponibles comercialmente y la experiencia del MIT) para abordar el recurso clave que nos falta para combatir el cambio climático: el tiempo. Gracias al Laboratorio Schmidt de Materiales en Tecnologías Nucleares, los investigadores del MIT que impulsan la energía de fusión, la energía nuclear y otras tecnologías cruciales para el futuro energético podrán actuar ahora y con rapidez, afirma Elsa Olivetti, profesora de Ingeniería Jerry McAfee y directora de misión del Proyecto Climático del MIT.
Además de impulsar la investigación, LMNT proporcionará una plataforma para la educación y la formación de estudiantes en las áreas cada vez más importantes de la tecnología de fusión. Su ubicación en el campus principal del MIT brinda a los estudiantes la oportunidad de liderar proyectos de investigación y ayudar a gestionar las operaciones de las instalaciones. Además, mantiene el enfoque práctico de la formación que ha definido al PSFC, reforzando la idea de que la experiencia directa en investigación a gran escala es la mejor manera de formar científicos e ingenieros de fusión para la creciente fuerza laboral de la industria de la fusión.
Benoit Forget, director de NSE y profesor de Ingeniería Nuclear de Korea Electric Power, señala: “Este nuevo laboratorio brindará a los estudiantes de ciencias e ingeniería nuclear acceso a una capacidad de investigación única que ayudará a dar forma al futuro de la energía de fusión y fisión”.
Acelerando el progreso en grandes desafíos
El apoyo filantrópico ha ayudado a LMNT a aprovechar la infraestructura y la experiencia existentes para pasar del concepto a la instalación en solo un año y medio: un plazo rápido para establecer un proyecto de investigación importante.
“Estoy tan entusiasmado con este modelo de investigación como con la ciencia de los materiales. Demuestra cómo la filantropía enfocada y las fortalezas del MIT pueden unirse para construir algo transformador: una nueva e importante instalación que ayude a los investigadores de los sectores público y privado a avanzar rápidamente en el desarrollo de materiales de fusión”, enfatiza Hartwig.
Al utilizar este enfoque, el PSFC está ejecutando una importante asociación público-privada en materia de energía de fusión, haciendo realidad un modelo de investigación que la comunidad de fusión estadounidense recién comenzó a explorar y demostrando el papel crucial que pueden desempeñar las universidades en la aceleración de los materiales y la tecnología necesarios para la energía de fusión.
“Las universidades han estado durante mucho tiempo a la vanguardia a la hora de abordar los mayores desafíos de la sociedad, y la carrera por identificar nuevas formas de energía y abordar el cambio climático exige enfoques audaces, de alto riesgo y alta rentabilidad”, afirma Ian Waitz, vicepresidente de investigación del MIT. “LMNT está ayudando a que la energía de fusión pase de ser una ambición a largo plazo a una realidad a corto plazo”.
Fuente: MIT