¿Es la energía de fusión nuclear una realidad esta vez? Algunas empresas de servicios públicos así lo creen.

Varias empresas de servicios públicos están explorando asociaciones con empresas emergentes de fusión nuclear que prometen implementar la tecnología de vanguardia a escala comercial, una hazaña que ha eludido a los científicos durante décadas.

Recientes avances técnicos en laboratorios gubernamentales de todo el mundo han acercado este hito, pero la industria y los expertos están divididos sobre cuán cerca está.

"Estamos viendo que estas empresas se están volviendo un poco más serias en cuanto a sus planes de ubicación y despliegue, y ya no se limitan a hacer promesas vagas sobre llevar la fusión a la red 'en unos pocos años'", dijo Patrick White, líder del grupo de seguridad y regulación de la fusión en Clean Air Task Force.

Dentro de un reactor de fusión nuclear, átomos ligeros colisionan bajo un calor increíble. La energía que liberan impulsa un sistema de conversión de energía similar al que se encuentra en las salas de generadores de las centrales térmicas actuales. La electricidad sale por el otro lado. El proceso es denso en energía: una tonelada de deuterio, un isótopo de hidrógeno, un posible combustible de fusión, contiene el equivalente energético de 29 000 millones de toneladas de carbón .

La energía de fusión comercial aún existe solo en teoría, ya que mantener una reacción de choque atómico terrestre a temperaturas superiores a las del núcleo solar supone un desafío técnico formidable. Durante años, los científicos advirtieron Que la energía de fusión comercial siempre estuvo a 50 años de distancia .

Ahora, no están tan seguros.

A finales de 2022, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del Departamento de Energía de EE. UU. anunció un avance crucial. Por primera vez, sus científicos crearon y mantuvieron brevemente una reacción de fusión que generó más energía de la que consumió, un umbral denominado "ganancia neta de energía" o "Q > 1".

Los láseres que provocaron la reacción consumieron alrededor de 90 kW de electricidad en un lapso medido en nanosegundos, dijo Patrick Poole, un físico investigador del LLNL involucrado en el avance.

A principios de este año, las instalaciones de fusión en China y Francia mantuvieron reacciones durante más de 15 minutos , mucho más tiempo que el experimento LLNL. La CEA, la instalación de fusión francesa, afirmó en febrero que era posible alcanzar duraciones de varias horas.

Pero también dijo que es “poco probable” que la tecnología de fusión haga una contribución significativa para lograr emisiones netas de carbono cero para 2050, citando requisitos de infraestructura masivos y “varios puntos de fricción tecnológicos [que] deben superarse”.

El Reactor Termonuclear Experimental Internacional de 500 MW, el proyecto de fusión insignia del hemisferio occidental liderado por el gobierno y que se está construyendo en el sur de Francia, lleva casi una década de retraso y supera su presupuesto en miles de millones de euros .

La mayoría de las empresas de servicios públicos y privadas de fusión estadounidenses coinciden en que aún quedan importantes desafíos técnicos por resolver para que la energía de fusión comercial se haga realidad. Sin embargo, creen que esto podría suceder en un plazo de 10 a 15 años, o quizás antes.

Con el respaldo del director ejecutivo de OpenAI, Sam Altman, la empresa emergente de fusión Helion comenzó a trabajar en julio en una planta de fusión de 50 MW en el estado de Washington que, según dice, entrará en funcionamiento en 2028 .

“Nuestra confianza reside en que hemos construido siete prototipos que han logrado la fusión”, declaró Anthony Pancotti, cofundador y director de I+D de Helion, en un correo electrónico. “Con el inicio de la construcción de nuestra primera planta de energía de fusión en Málaga [Washington], vamos por buen camino para cumplir nuestro compromiso con Microsoft de incorporar electrones de fusión a la red eléctrica para 2028”.

Otra startup, Commonwealth Fusion Systems, pretende activar su reactor de prueba de Massachusetts un año antes , en 2027, y luego asociarse con Dominion Energy para desplegar una planta comercial de 400 MW en Virginia a principios de la década de 2030, según afirma. La empresa está construyendo un reactor tokamak con forma de rosquilla , similar al diseño que se está desarrollando en el ITER.

La planta de energía de 400 MW probablemente sería "un bloque de construcción estándar que permitirá una fabricación aún más modular y economías de escala", dijo el director comercial de Commonwealth Fusion Systems, Rick Needham, en un correo electrónico.

Aunque más pequeña que la mayoría de los reactores de fisión convencionales que operan actualmente en el parque nuclear estadounidense, una central eléctrica de 400 MW estaría a la altura de las unidades individuales de las centrales eléctricas modernas de carbón o de gas de ciclo combinado. Los futuros clientes de servicios públicos o los usuarios finales directos podrían albergar varias plantas en un solo emplazamiento según sea necesario, afirmó Needham.

“Con respecto a los precios finales de la energía, confiamos en que nuestras futuras plantas ARC pueden ser la forma de energía limpia y firme de menor costo que se puede implementar prácticamente en cualquier lugar”, dijo Needham.

Un portavoz de Dominion Energy se negó a dar más detalles sobre los planes para la planta de Virginia, más allá de lo que hemos dicho públicamente. No está claro si la empresa de servicios públicos ha realizado alguna inversión directa en el proyecto hasta la fecha.

Más al sur, la Autoridad del Valle de Tennessee está reforzando su asociación con Type One Energy con el objetivo de poner en funcionamiento una instalación de fusión de 350 MW "a mediados de la década de 2030".

Un acuerdo de cooperación anunciado en febrero se basa en una asociación anterior centrada en el despliegue de un prototipo de fusión en la planta de carbón retirada Bull Run de TVA.

El proyecto ahora "comprende un compromiso más profundo y amplio con la comercialización de la energía de fusión", declaró Type One en un comunicado. Incluye el acceso a los talleres de servicio eléctrico de TVA en Muscle Shoals, Alabama, lo que, según las empresas, facilitará el desarrollo de la cadena de suministro y la fabricación de componentes modulares, así como el talento y los recursos de los estados de Tennessee y Alabama para el desarrollo de la fuerza laboral.

“Nos estamos asociando estratégicamente con empresas innovadoras como Type One Energy para impulsar el desarrollo de tecnologías nucleares”, declaró Bob Moul, director ejecutivo de TVA, en un comunicado. “Estoy entusiasmado con la posibilidad de que la primera planta de energía de fusión comercial estadounidense con tecnología Stellarator se construya en el valle de Tennessee”.

White, del Clean Air Task Force, advirtió que aún queda mucho trabajo técnico por hacer antes de que las primeras plantas de fusión comerciales puedan entrar en funcionamiento.

Al igual que en la industria de la fisión avanzada, cada startup de fusión le da su toque personal a la tecnología y equilibra factores clave como la capacidad del reactor, la eficiencia y la flexibilidad de producción. Los enfoques divergentes sugieren que las empresas de fusión exitosas intentarán crear nichos de mercado.

“Algunas tecnologías se reducirán con mayor facilidad a menor potencia, mientras que otras tendrán un óptimo económico a mayor potencia”, afirmó White. “No existe una máquina de fusión universal”.

Poole, de LLNL, afirmó en una entrevista que una planta de energía de fusión viable podría tardar entre 15 y 30 años, dependiendo de la mano de obra, la financiación y la suerte. Esto podría no ser suficiente para las empresas de capital riesgo que buscan rentabilidades más rápidas.

“Es fácil prometer demasiado en ese ámbito”, dijo Poole. “Nos preocupa que los profanos o el mundo del capital riesgo se desanimen si las cosas no salen a la perfección después de cinco años”.

Incluso algunos líderes de fusión del sector privado consideran optimista un plazo de 10 años, por no hablar del sprint trienal de Helion. También afirman que la energía de fusión a precios competitivos resultará difícil de conseguir incluso después de que el primer trimestre quede atrás.

“Esto sucede periódicamente en la energía de fusión, donde hay mucho entusiasmo, una sensación de que estamos cerca”, dijo Greg Piefer, director ejecutivo de SHINE Technologies, que utiliza la fusión para producir radioisótopos médicos .

"En mi opinión, no sólo no sabemos cómo limitar el éxito, sino que tampoco sabemos cuánto capital hay que invertir para que esto sea rentable", afirmó Piefer.

Ya se están gestando problemas en algunos sectores de la industria.

En mayo, el director ejecutivo de General Fusion, con sede en Vancouver, lanzó una inusual solicitud pública de nueva financiación , insinuando que la empresa podría no sobrevivir sin ella. Los inversores respondieron con una suma de 22 millones de dólares, según informó la empresa este mes , sin indicar cuánto tiempo obtendría con la inyección.

Por ahora, sin embargo, el dinero sigue fluyendo.

Aunque todavía es una pequeña porción de los 1,2 billones de dólares que la industria de energía limpia en general atrajo entre 2020 y 2023, la Asociación de la Industria de Fusión dice que la inversión en fusión se ha quintuplicado desde 2021. La financiación acumulada para las 53 empresas emergentes de fusión que rastrea la FIA se acercó a los 10 mil millones de dólares a principios de este año.

Commonwealth Fusion Systems se encuentra entre las empresas mejor financiadas del grupo, según anuncios públicos y datos de recaudación de fondos . Ha recaudado más de 2000 millones de dólares desde su escisión del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en 2018, lo que le ha proporcionado capital para financiar la construcción de su reactor de prueba SPARC cerca de su sede en Devens, Massachusetts. Se espera que SPARC alcance un trimestre superior al primero en 2027.

Esto sería una primicia para la tecnología de energía de fusión comercial, afirmó Needham. Es un hito crucial mientras CFS desarrolla el diseño del reactor comercial de tamaño real, denominado ARC, añadió.

“SPARC está… diseñado para probar la mayoría de los subsistemas necesarios para nuestras plantas de energía ARC, desarrollar experiencia operativa y perfeccionar el diseño de ARC”, dijo Needham.

Cuando SPARC se active, producirá un plasma sobrecalentado que fusiona isótopos de hidrógeno en helio y libera neutrones ricos en energía. Es el mismo proceso básico que ocurre en el núcleo del Sol, aunque a una presión mucho menor, y una imagen especular de la reacción de fisión atómica que alimenta los reactores nucleares comerciales actuales.

Al igual que las estrellas, los reactores de fusión producen pocos residuos radiactivos de larga duración, una ventaja clave sobre la fisión y la base de una regulación federal más flexible . Sin embargo, a diferencia de las máquinas de fusión celestiales, los tokamaks y los estelarizadores terrestres no pueden depender de la gravedad para sostener sus reacciones. Sin imanes potentes que lo contengan, el plasma se disipa rápidamente.

Este problema de contención preocupó a los científicos especializados en fusión durante décadas. Ahora, parece superable gracias a la tecnología de imanes superconductores que, según Needham, hará que las plantas de fusión comerciales sean más compactas, rentables y rentables.

SPARC validará esta tecnología magnética a medida que CFS continúa trabajando en otros subsistemas clave. Estos incluyen la manta de sales fundidas que captura la energía del tokamak y "materiales y diseños más nuevos para mejorar aún más aspectos de nuestras centrales eléctricas, como la producción y el factor de capacidad", afirmó Needham.

Si todo va bien, esos subsistemas harán su debut comercial en ARC, la planta de 400 MW en Virginia que CFS y Dominion planean desarrollar conjuntamente después de 2030. Dos de los primeros inversores en CFS, Google y la petrolera italiana Eni , comprarán la mayor parte de su producción.

Needham describió la primera planta ARC como un modelo para futuras instalaciones de fusión. Afirmó que irá aumentando gradualmente sus operaciones y ayudará a CFS a validar sus operaciones en un entorno conectado a la red eléctrica, allanando el camino para que futuras unidades de 400 MW funcionen con factores de capacidad equivalentes a los de otras fuentes de energía. El sistema de transferencia de calor de sales fundidas podría eventualmente respaldar aplicaciones de cogeneración o almacenamiento de energía, lo que aportaría mayor valor, añadió.

CFS no es la única empresa que cree que tiene un camino claro hacia la energía de fusión conectada a la red.

Helion, con sede en Washington, espera superar a su competidor de la Costa Este por varios años. Apuesta por un diseño novedoso, un reactor más pequeño, un acuerdo de suministro con Microsoft y la capacidad excedente de interconexión de una presa hidroeléctrica para conectar la energía de su primera planta comercial a la red eléctrica para 2028.

El sistema de fusión pulsada sin ignición de Helion combina elementos del diseño del tokamak, relativamente bien estudiado, con otros enfoques de fusión, de forma que «nos ayuda a superar los desafíos físicos más complejos y a construir dispositivos de alta eficiencia energética», afirma la compañía . Al igual que el CFS, la máquina de Helion utiliza imanes para confinar el plasma.

Pancotti dijo que Helion generará electricidad a partir de la propia reacción de fusión, evitando la necesidad de la infraestructura del ciclo de vapor que se encuentra en las plantas de energía nuclear tradicionales y "[reduciendo] nuestros requisitos generales de costos de capital".

La compañía planea fabricar gran parte de sus equipos y sistemas en sus instalaciones de Everett, Washington, añadió.

“Nuestra estrategia es esencialmente construir una línea de ensamblaje que nos permitirá lograr economías de escala para futuras plantas y fabricar componentes críticos internamente”, dijo.

Helion también planea operar un sistema de circuito cerrado que produzca el combustible que necesita la planta, afirmó. Pool añadió que ese es un objetivo bastante común entre las empresas emergentes de fusión.

Pero Pancotti admitió que Helion “continúa perfeccionando nuestros materiales orientados al plasma… y nuestras bobinas magnéticas, con el objetivo de extender la vida útil para la producción de energía comercial”.

Independientemente de su tecnología o diseño, endurecer los materiales del reactor para soportar temperaturas intensas y radiación durante años es un problema que toda empresa de fusión comercial tendrá que abordar tarde o temprano, dijo Poole.

SHINE Technologies destaca entre las startups de fusión por lo que denomina un enfoque centrado en los ingresos . Produce y vende radioisótopos comerciales en un acelerador de partículas de Wisconsin , inaugurado en 2023. Dado que solo se centra en la producción de neutrones y no en la energía neta, Piefer afirmó que la máquina de SHINE es mucho más sencilla que las máquinas generadoras de energía diseñadas para confinar el plasma durante largos periodos.

La línea de negocio de radioisótopos de SHINE genera ingresos significativos, afirmó Piefer, aunque se negó a revelar la cantidad exacta. El flujo de caja podría financiar un impulso al reciclaje de residuos nucleares y posteriormente a la energía de fusión, según un cronograma publicado en el sitio web de SHINE.

"No seremos los primeros en Q>1, pero sí en una economía mayor que uno", bromeó Piefer, refiriéndose a que SHINE espera ser rentable mucho antes que sus competidores. "En el peor de los casos, seremos los constructores de instalaciones de fusión con mayor experiencia del mundo y dejaremos que otros comercialicen la energía de fusión".

Piefer, doctor en ingeniería nuclear, coincidió con Poole, del LLNL, en que esto podría tardar hasta 30 años. Pero a pesar de su escepticismo respecto a la actual generación de startups y sus ajustados plazos, incluso él cree que la generación comercial de electricidad mediante fusión es inevitable.

“Lo que sabemos es que todo está tomando forma”, dijo. “Estamos en un punto de inflexión: pasaremos de quemar energía química como sociedad a ser una sociedad basada en la energía nuclear”.