Energía de fusión nuclear: ¿Cómo vamos?

La energía de fusión nuclear se perfila como una de las candidatas (o incluso LA candidata) a fuente de energía de uso mayoritario a largo plazo. Todo son ventajas: permite generar grandes cantidades de energía en cualquier momento del día, no genera residuos contaminantes, no supone riesgos en caso de accidente y su combustible es relativamente abundante, y todo ello potencialmente a un coste inferior a la de las fuentes de energía actuales.

Pese a lo interesante que resulta esta forma de energía, a día de hoy no existe ninguna instalación que haya logrado de forma sostenida en el tiempo la operación de un reactor de fusión. La energía de fusión, como dicen algunos, siempre está a 20 años, y esa fecha parece no acercarse nunca.

Los proyectos que aparentemente deberían estar más cerca de conseguir la fusión, el NIF y el ITER no parecen muy avanzados. El ITER está aún en construcción, y se espera que tras construir ese y otro reactor (DEMO), se construya finalmente el primer reactor de fusión nuclear comercial… en 2050.

El NIF por otra parte sí está operativo y ha logrado resultados importantes , pero en este caso no existe siquiera fecha para la puesta en marcha de un reactor comercial.

El ITER costará varios miles de millones de  euros en planificación y construcción, hasta un total de trece miles de millones de euros de coste proyectado total. Cifras algo inferiores ha requerido la construcción del NIF, que requiere para su operación unos 300 millones de dólares anuales.

Estos nada esperanzadores resultados han motivado artículos como éste, de Nature, donde se alerta de que la fijación con el ITER pueda estar haciendo que absorba una cantidad excesiva de fondos (públicos) dedicados a energía de fusión, impidiendo financiar enfoques alternativos. Al cabo, todos los recursos que se empleen en estos megaproyectos no estarán disponibles para el uso de otros proyectos. Si resultase que el ITER o el NIF son callejones sin salida, habríamos aprendido mucho sobre física de plasmas, pero no habríamos logrado el objetivo declarado de lograr la fusión comercial. La iniciativa ARPA-E de EEUU podría cambiar la situación y aportar algo más de financiación, pero el daño está hecho: lo ya gastado, gastado está: es un hecho que el grueso de la investigación científica en fusión de la última década se ha enfocado principalmente a dos proyectos y no a otros.

Por suerte, las posibilidades de obtener energía de fusión no dependen únicamente del ITER y el NIF. Desde hace años, se han venido financiando pequeños proyectos de fusión que tienen como propósito explícito no tanto investigación científica, sino directamente lograr energía de fusión comercial en un plazo de una o dos décadas. Sus progresos, al menos hasta ahora, parecen ir en la buena dirección.

Algunos de estos proyectos son los siguientes:

General Fusion

  • Tipo de reactor: Magnetized Target Reactor. Se inyectan anillos de plasma dentro de un vórtice de metal líquido. Una serie de pistones dispuestos alrededor comprimen el metal y el plasma, provocando la ignición.
  • Combustible: Deuterio y tritio
  • Financiación: 42.5 millones de $ de capital riesgo (Bezos Expeditions, Cenovus Energy, Chrysalix Energy Venture Capital, Braemar Energy Ventures, Growthworks, Entrepreneurs Fund, Chrysalix SET), 6.3 millones de $ de apoyo estatal (Business Development Bank of Canada, Sustainable Development Technology Canada.
  • Fecha estimada para fusión comercial: 2020
  • Coste estimado de un reactor: 50 millones de $, reactor de 100MW (0.07$ por kWh)

Helion Energy

  • Tipo de reactor: Inductive Plasmoid Accelerator. Se inyecta deuterio, extraído del agua y helio, del propio escape de salida del reactor y se calienta hasta que se convierta en plasma. A continuación un campo magnético acelera el plasma hasta la cámara de combustión, donde se comprime, lográndose la fusión y obteniéndose energía.
  • Combustible: Deuterio y tritio
  • Financiación: 1.5 millones de $ de capital riesgo (Y Combinator y Mithrill Capital Management), 7 millones de $ de apoyo estatal (NASA, Departamentos de Defensa y Energía de EEUU)
  • Fecha estimada para fusión comercial: 2020
  • Coste estimado de un reactor: 18 millones de $, reactor de 50MW (0.04 dólares por kWh)

Lawrenceville Plasma Physics

  • Tipo de reactor: Dense Plasma Focus
  • Combustible: Hidrógeno y Boro-11 (pB11)
  • Financiación: 0.3 millones de $ (JPL, NASA), 1.2 millones de $ (The Abell Foundation), 1.8 millones de $ (otros inversores) 0.18 millones de $ en crowdfunding
  • Fecha estimada para fusión comercial: 2016
  • Coste estimado de un reactor: 0.3 millones de $, reactor de 5 MW, 0.002 $ por kWh (Sí, es un órden de magnitud inferior al coste por kWh de otros proyectos, y sustancialmente más barata que cualquier forma alternativa de energía. Es porque el dispositivo convierte directamente la energía liberada en electricidad, sin necesidad de turbinas de vapor. De modo que si sus cálculos son correctos, los reactores DPF podrían convertirse en la única fuente de energía rentable y desplazar a todas las demás, combustibles fósiles incluidos

Trialpha Energy

  • Tipo de reactor: Colliding Beam Fusion Reactor Acelerar plasmoides hasta hacerlos colisionar en una cámara de reacción, a la que se le añade combustible.
  • Combustible: Hidrógeno y Boro-11 (pB11)
  • Financiación: 140 millones de dólares (Goldman Sachs, Vulcan Inc, Venrock, New Enterprise Associates, Rusnano)
  • Fecha estimada para fusión comercial: 2020-2025
  • Coste estimado de un reactor: ??, reactor de 100 MW  (Al igual que LPP, emplean pB11 y conversión directa de energía, por lo que cabe esperar un coste relativamente bajo por kWh)

EMC2 Fusion

  • Tipo de reactor: Polywell. Una cámara de vacío rodeada de seis electroimanes toroidales formando un cubo.  Cañones de electrones inyectan electrones al centro de la estructura. Se introduce el combustible en forma gaseosa dentro del cubo, donde se logra la fusión.
  • Combustible: Deuterio y Tritio o Hidrógeno y Boro-11 (pB11)
  • Financiación:  Electric Power Research Institute, DARPA. Actualmente la US Navy (12-20 millones de $)
  • Fecha estimada para fusión
  • Coste estimado de un reactor: 200 millones de $, reactor de 100 MW

Lockheed Martin Compact Fusion

  • Tipo de reactor: High beta fusion reactor Dispositivo cilíndrico donde se inyecta deuterio, que es calentado con ondas de radio y confinado magnéticamente con el objetivo de generar plasma
  • Combustible: Deuterio y Tritio
  • Financiación: ??
  • Fecha estimada para fusión comercial: 2022
  • Coste estimado de un reactor: ??, reactor de 100 MW

 

Como conclusión, el patrón que salta a la vista tras revisar los diferentes proyectos es que los enfoques alternativos de fusión se centran en reactores de 100 MW, cuyo coste puede cifrarse en decenas de millones de dólares. Al ser reactores relativamente pequeños, pueden fabricarse en masa en fábricas, en lugar de requerir proyectos in-situ como requieren hoy las grandes centrales eléctricas. El tamaño típico de uno de estos reactores de fusión podría ser similar al de un contenedor. El  factor de carga podría rondar entre 90 y 95%, algo superiores al de una central nuclear, ya que los reactores de fusión no requieren paradas para recargar combustible, sino que operan de forma continua. Además, a diferencia de las nucleares, permiten detener y re-arrancar el reactor de forma relativamente más fácil, por lo que un pool energético basado en reactores de fusión podría adaptarse a una curva de demanda variable en el tiempo.

Un proyecto promete reactores más pequeños y sustancialmente más económicos, el de Lawrencevilla Plasma Fusion.

En todos los casos, se lograría energía igual o más barata que la que empleamos hoy, y el problema del cambio climático quedaría resuelto de forma definitiva al poder emplear una fuente de energía que no sólo es limpia, sino que además es muy económica, lo que conduciría a su adopción masiva si los desarrollos de estos proyectos continúan por el buen camino.

 

http://motherboard.vice.com/en_ca/blog/the-nuclear-fusion-arms-race-is-underway

http://www.nature.com/news/plasma-physics-the-fusion-upstarts-1.15592

http://www.gizmag.com/nuclear-fusion-power-2020-crowdfunding/32058/

http://nextbigfuture.com/2014/06/summary-of-nuclear-fusion-projects.html

http://www.scientificamerican.com/article/skeptical-look-3-wild-fusion-energy-schemes/

Y Combinator And Mithril Invest In Helion, A Nuclear Fusion Startup

http://www.nature.com/news/five-year-delay-would-spell-end-of-iter-1.15621?WT.mc_id=TWT_NatureNews

http://www.nature.com/news/fusion-furore-1.15596

http://fire.pppl.gov/fpa11_Woodruff_market.pdf

http://fire.pppl.gov/FPA12_Richardson_GF.pdf

http://fire.pppl.gov/EPRI__Fusion_Report_10-2012.pdf

http://www.nemokamaenergija.net/download/AntrasKreipimasis/BusinessPlan.pdf

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4 Responses to Energía de fusión nuclear: ¿Cómo vamos?

  1. Gonzalo says:

    Tengo varios comentarios que hacer sobre esta entrada, que se centran en la conclusión:
    El primero tiene que ver con las consideraciones realizadas relativas a la potencia de las centrales de fusión. Efectivamente, 100MW son pocos MW en el ámbito energético, pero eso no significa que pueda realizarse una fabricación en masa. Por otro lado, el coste de un reactor no puede únicamente contabilizarse como su inversión inicial, los datos ofrecidos en esta entrada no hablan del mantenimiento requerido para los distintos proyectos, ni su amortización. Echo en falta también alguna curva en la que se muestre la rentabilidad en función de la potencia de la central y el número de las mismas, no me convence la solución de varias centrales de potencia limitada en lugar de menos centrales de mayor potencia. Sobre lo del arranque, no es tan sencillo en mi opinión como para cubrir puntas. Finalmente, he de decir que hay centrales nucleares que operan de forma contínua, a medida que recargan combustible (PHWR CANDU).

  2. Artir says:

    – Lo de la fabricación en masa no es una elucubración mía, sino que es algo que dicen explícitamente varios de los grupos que presento en el artículo (El de Lockheed Martin, por ejemplo https://www.youtube.com/watch?v=JAsRFVbcyUY , minuto 6:12 )
    -No doy los datos de mantenimiento ni amortización ni curvas de rentabilidad en función de la potencia de la central, no he encontrado esos datos, y no creo que sea por haber buscado poco, aún es pronto para eso. Los datos del coste por kWh son estimaciones de cada grupo, en términos de ‘Levelized Energy Cost’, que en teoría tiene en cuenta eso. Pero a estas alturas, a 10 años de la (hipotética) producción comercial, esos datos seguirían siendo sólo tentativos.
    -Sobre centrales descentralizadas: Estos reactores pueden apilarse para formar centrales más grandes. 10 unidades de Lockheed son 10 contenedores, y son 1000 MW. De modo que podrían existir centrales modulars. Desde un punto de vista económico, tiene las ventajas de tener costes de entrada más bajos (Mejoraría la competencia en el mercado eléctrico), de tener un tamaño más reducido (Podrían instalarse en entornos urbanos) y de poderse transportar si es necesario. Como cada módulo es relativamente independiente, el coste por kWh según los MW de la planta potencialmente tendría sentido que fuese relativamente independiente.
    -En el caso del arranque-parada, la parada es casi inmediata después de dejar de inyectar combustible. Aquí sí he elucubrado que el arranque también debería ser relativamente sencillo, estilo turbina de gas.
    -Sobre los CANDU, didn’t know that. Es un punto a su favor pues.
    -(Extra): Mi entusiasmo por estos proyectos no está motivado tanto por los datos que estiman de costes de las plantas, sino por que hay una variedad de proyectos que van haciendo avances, que tienen modelos físicos de cómo se supone que funcionan sus reactores y que se basan en principios físicos conocidos. Al menos en el caso de los de LPP (Que parece uno de los proyectos de los que uno podría desconfiar más, con una financiación tan baja y un coste por kWh tan bajo) tienen un artículo publicado en una revista peer-reviewed líder en su campo sobre cómo funciona. Hace poco os de Polywell sacaron otro. De Trialpha y Lockheed apenas se sabe, pero Trialpha tiene bastante pasta y Lockheed puede asumirse que también.

    • Gonzalo says:

      -¿ Y por qué debería ser el arranque sencillo? Al fin y al cabo, hablamos de calentar y confinar un plasma, no es tan simple como una TG.

      -Creo que es pronto para hablar de una ventaja de centrales modulares frente a grandes centrales, ya que aún no se conocen costes, ni absolutos ni por kWh. Aunque en términos de flexibilidad parece una disposición favorable, en el ámbito económico todavía lo veo como humo.

      – Sobre el extra: estoy de acuerdo con que una excesiva financiación a proyectos “mainstream” como ITER pueden ahogar otras líneas de investigación, pero hemos de tener en cuenta que también se han realizado grandes avances en ellos y no creo que sea algo desdeñable que pueda pararse para lanzarse sin más a otra línea

      • Artir says:

        -Una vez que ya se tiene construida la máquina, es tener variables como presión de la cámara, flujo de gas, tensión aplicada y temperatura del plasma, y regularlos. Calentar y confinar un plasma en sí no es difícil, de hecho uno puede construirse un fusor en un garaje como hizo este tipo http://gizmodo.com/5570817/no-sleep-til-fusion , y arrancar un dispositivo así parece cuestión de minutos https://www.youtube.com/watch?v=AKYS_L5frbE . Un reactor que no sólo logre la fusión, sino que además genere energía neta será más complicado, pero también tendrá control más preciso sobre los parámetros de operación.

        -Agree. Ahora mismo es más segura la ciencia que el diseño de los aparatos, y éste que los aspectos económicos de una planta operativa. Aún quedan 10 años (o más si hay retrasos). Los datos que están ahí son los datos que dan ellos, y nadie los ha validado. No dejan de ser sus estimaciones a ojímetro, que tomo de buena fe. Pero partiendo de que saben cómo funciona su reactor, pueden estimar costes de combustible, qué resistencia deben tener los materiales, de ahí el coste de los mismos, y demás. Con eso habrán estimado, y creen que podrán abaratar el coste de la energía, si no fuese así todos esos millones se los comerán en pérdidas, tienen buenos incentivos para estimar bien, aunque entre ellos también los habrá que están en esto por amor a la ciencia.

        -De momento avances en el NIF sí que ha habido. El ITER aún andan construyéndolo, así que no es tarde como para decidir abandonarlo, pero es un proyecto que lleva desde los 85 dando vueltas y tiene una inercia política enorme detrás (A la NASA le pasa algo parecido con su Space Launch System o en su día el Shuttle: será grande, caro y aún no saben qué harán con él, pero lo hacen porque ya están en ello). Como digo arriba “Si resultase que el ITER o el NIF son callejones sin salida, habríamos aprendido mucho sobre física de plasmas”, en general con todo proyecto científico o pasa eso: los errores permiten a los demás aprender cuáles son maneras según las cuales uno no debe hacer algo.

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