La buena noticia es que hay un material que funciona bien en las paredes de los reactores de fusión. La mala: es litio

Sabemos cómo funciona el Sol. Otra cosa es imitarlo. Si consiguiéramos construir un reactor de fusión nuclear, tendríamos energía limpia, segura y prácticamente ilimitada. Pero hacerlo entraña desafíos de ingeniería increíblemente complejos.

El problema de la pared. Uno de los desafíos más colosales en la fusión nuclear es construir un contenedor que soporte un plasma más caliente que el núcleo del Sol. Durante años, los científicos han estado experimentando con diversos materiales, desde el grafito hasta metales de alta resistencia como el tungsteno.

Una reciente investigación, fruto de una colaboración internacional de nueve instituciones, confirma que tenemos un candidato estrella que funciona espectacularmente bien para la pared de los reactores: el litio.

Un escudo autorreparable. Para entender por qué el litio es tan atractivo, primero hay que visualizar el infierno que se desata dentro de un tokamak, el diseño de reactor de fusión más común. Un gas de hidrógeno, principalmente sus isótopos deuterio y tritio, se calienta a más de 100 millones de grados Celsius hasta convertirse en un plasma. Campos magnéticos potentísimos lo confinan para que no toque nada, pero es imposible evitar que algunas partículas escapen y choquen violentamente contra las paredes interiores del reactor.

Aquí es donde el litio brilla porque puede usarse en estado líquido. En lugar de erosionarse y degradarse con cada impacto, fluye y se cura a sí mismo al instante. Esta capa líquida autorreparable protegería los componentes sólidos que hay detrás. Es más, si las paredes del reactor están lo suficientemente calientes, el litio puede formar un escudo de vapor que absorbe gran parte del impacto antes de que llegue a la superficie sólida.

¿Adiós al grafito? La investigación demuestra que el litio no solo es un escudo pasivo, sino un acondicionador activo del plasma. En lugar de reflejar las partículas de combustible que escapan, enfriando el borde del plasma y desestabilizándolo, el litio las absorbe. Esto ayuda a mantener el calor donde tiene que estar y, por lo tanto, a estabilizar la reacción de fusión y mejorar el confinamiento del plasma.

Según los investigadores, el litio es un candidato prometedor para sustituir al grafito, que tiene una tasa de erosión mucho más alta. Aplicado en paredes de tungsteno, permite operar la fusión a densidades de potencia mayores, abriendo la puerta a reactores más compactos y eficientes.

Dos formas de aplicarlo. Los investigadores probaron, por un lado, a recubrir las paredes de litio antes de encender el plasma y, por otro, a inyectar polvo de litio directamente sobre el plasma durante la operación del reactor. La inyección fue mucho más eficaz a la hora de crear un perfil de temperatura uniforme y estable, una de las condiciones sagradas para la fusión comercial.

Todas las pruebas se llevaron a cabo en el tokamak DIII-D de General Atomics con financiación del Departamento de Energía de Estados Unidos. Los autores del estudio, publicado en la revista Nuclear Materials and Energy, son investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton y sus colaboradores.

Una mala noticia. Además de ejercer aún más presión sobre el ya tensionado mercado del litio (que si bien no escasea, tampoco se extrae al ritmo que crece su demanda), hay un problema más alarmante. El litio es demasiado bueno en su trabajo. Atrapa el tritio con una eficiencia muy alta, impidiendo que vuelva al plasma para ser usado como combustible.

Si el tritio se queda pegado a las paredes, el reactor acaba quedándose sin combustible y el ciclo se rompe. La acumulación de tritio radiactivo en zonas frías y de difícil acceso del reactor también complica enormemente su mantenimiento y es un riesgo de seguridad. Para colmo, la retención es más significativa si el litio se inyecta con el reactor en funcionamiento, el método de aplicación más eficiente.

Una posible solución. La clave está en que estos experimentos se realizaron con el litio en estado sólido, a temperaturas por debajo de su punto de fusión. En un reactor real, con litio líquido, la solución podría ser un sistema de "diálisis": en lugar de bañar las paredes por un río de litio y dejarlo ahí, este sería extraído continuamente del reactor, llevado a una planta de procesamiento para separar el tritio atrapado, y bombeado de vuelta, limpio y listo para seguir trabajando.

El diseño del reactor tendría que adaptarse a esta nueva propuesta. Habría que evitar las zonas frías donde el litio y el tritio pudieran acumularse y quedarse estancados, mantener las paredes a temperaturas más altas y controladas, e incluir el circuito para extraer, procesar e introducir continuamente el litio. Un material que resuelve múltiples problemas en nuestra misión de simular el Sol, pero a cambio introduce otros nuevos y también complejos.

Imagen | General Atomics

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La noticia La buena noticia es que hay un material que funciona bien en las paredes de los reactores de fusión. La mala: es litio fue publicada originalmente en Xataka por Matías S. Zavia .