energía de fusión

Las reacciones de fusión ocurren cuando dos o más núcleos atómicos se acercan lo suficiente durante el tiempo suficiente como para que la fuerza nuclear que los atrae supere la fuerza electrostática que los repele, fusionándolos en núcleos más pesados. Para núcleos más pesados ​​que el hierro-56 , la reacción es endotérmica , lo que requiere un aporte de energía. ^{[ 7 ]} Los núcleos pesados, más grandes que el hierro, tienen muchos más protones, lo que resulta en una mayor fuerza repulsiva. Para núcleos más ligeros que el hierro-56, la reacción es exotérmica , liberando energía cuando se fusionan. Dado que el hidrógeno tiene un solo protón en su núcleo, requiere el menor esfuerzo para alcanzar la fusión y produce la mayor cantidad de energía neta. Además, como tiene un electrón, el hidrógeno es el combustible más fácil de ionizar completamente.

La interacción electrostática repulsiva entre núcleos opera a distancias mayores que la fuerza nuclear fuerte, cuyo alcance es de aproximadamente un femtómetro (el diámetro de un protón o neutrón). Los átomos de combustible deben recibir suficiente energía cinética para acercarse lo suficiente entre sí, de modo que la fuerza nuclear fuerte supere la repulsión electrostática e inicie la fusión. La barrera de Coulomb es la cantidad de energía cinética necesaria para acercar los átomos de combustible lo suficiente. Para producir esta energía, los átomos pueden calentarse a temperaturas extremadamente altas o acelerarse en un acelerador de partículas.

Un átomo pierde sus electrones al calentarse por encima de su energía de ionización . El núcleo desnudo resultante es un tipo de ion . El resultado de esta ionización es el plasma, que es una nube caliente de núcleos desnudos y electrones libres que antes estaban ligados a ellos. Los plasmas son conductores eléctricos y se pueden controlar magnéticamente debido a la separación de las cargas. Esto se utiliza en varios dispositivos de fusión para confinar las partículas calientes.

La sección transversal de una reacción , denotada por σ, mide la probabilidad de que ocurra una reacción de fusión. Esta depende de la velocidad relativa de los dos núcleos. Generalmente, velocidades relativas más altas aumentan la probabilidad, pero esta comienza a disminuir nuevamente a energías muy altas. ^{[ 8 ]}

En un plasma, la velocidad de las partículas se puede caracterizar mediante una distribución de probabilidad . Si el plasma está termalizado , la distribución se asemeja a una curva gaussiana o a una distribución de Maxwell-Boltzmann . En este caso, resulta útil utilizar la sección transversal promedio de las partículas sobre la distribución de velocidad. Esto se introduce en la tasa de fusión volumétrica: ^{[ 9 ]}

${\displaystyle P_{\text{fusión}}=n_{A}n_{B}\langle \sigma v_{A,B}\rangle E_{\text{fusión}}}$

dónde:

• ${\displaystyle P_{\text{fusión}}}$es la energía producida por fusión, por unidad de tiempo y volumen.
• n es la densidad numérica de la especie A o B, de las partículas en el volumen
• ${\displaystyle \langle \sigma v_{A,B}\rangle }$es la sección transversal de esa reacción, promediada sobre todas las velocidades de las dos especies v
• ${\displaystyle E_{\text{fusión}}}$es la energía liberada por esa reacción de fusión.

El criterio de Lawson considera el balance energético entre la energía producida en las reacciones de fusión y la energía que se pierde en el entorno. Para generar energía utilizable, un sistema tendría que producir más energía de la que pierde. Lawson supuso un balance energético , que se muestra a continuación. ^{[ 9 ]}

${\displaystyle P_{\text{out}}=\eta _{\text{capture}}\left(P_{\text{fusion}}-P_{\text{conduction}}-P_{\text{radiation}}\right)}$

dónde:

• ${\displaystyle P_{\text{salida}}}$es la potencia neta de la fusión
• ${\displaystyle \eta _{\text{captura}}}$es la eficiencia de capturar el resultado de la fusión
• ${\displaystyle P_{\text{fusión}}}$es la tasa de energía generada por las reacciones de fusión
• ${\displaystyle P_{\text{conducción}}}$son las pérdidas por conducción a medida que la masa energética abandona el plasma
• ${\displaystyle P_{\text{radiación}}}$es la pérdida de radiación a medida que la energía sale en forma de luz y flujo de neutrones.

_{La tasa de fusión, y por lo tanto la fusión} P , depende de la temperatura y la densidad del plasma. El plasma pierde energía por conducción y radiación . ^{[ 9 ]} La conducción ocurre cuando iones , electrones o partículas neutras impactan otras sustancias, generalmente una superficie del dispositivo, y transfieren una porción de su energía cinética a los demás átomos. La tasa de conducción también depende de la temperatura y la densidad. La radiación es la energía que sale de la nube en forma de luz. La radiación también aumenta con la temperatura, así como con la masa de los iones. Los sistemas de energía de fusión deben operar en una región donde la tasa de fusión sea mayor que las pérdidas.

El criterio de Lawson sostiene que una máquina que contiene un plasma termalizado y cuasineutral debe generar suficiente energía para compensar sus pérdidas energéticas. La cantidad de energía liberada en un volumen dado es función de la temperatura y, por lo tanto, de la tasa de reacción por partícula, la densidad de partículas dentro de ese volumen y, finalmente, el tiempo de confinamiento, es decir, el tiempo durante el cual la energía permanece dentro del volumen. ^{[ 9 ] [ 11 ]} Esto se conoce como el "producto triple": la densidad del plasma, la temperatura y el tiempo de confinamiento. ^{[ 12 ]}

^{En el} confinamiento magnético, la densidad es baja, del orden de un "buen vacío". Por ejemplo, en el dispositivo ITER la densidad del combustible es de aproximadamente 1,0 × ^10¹⁹ m⁻³ , que es aproximadamente una millonésima parte de la densidad atmosférica. ^{[ 13 ]} Esto significa que la temperatura y/o el tiempo de confinamiento deben aumentar. Se han alcanzado temperaturas relevantes para la fusión utilizando una variedad de métodos de calentamiento que se desarrollaron a principios de la década de 1970. En las máquinas modernas, a partir de 2019El principal problema restante era el tiempo de confinamiento. Los plasmas en campos magnéticos intensos están sujetos a diversas inestabilidades inherentes que deben suprimirse para lograr duraciones útiles. Una forma de hacerlo es simplemente aumentar el volumen del reactor, lo que reduce la tasa de fugas debidas a la difusión clásica . Por eso ITER es tan grande.

En contraste, los sistemas de confinamiento inercial alcanzan valores útiles de triple producto mediante una mayor densidad y presentan intervalos de confinamiento cortos. En NIF , la carga inicial de hidrógeno congelado tiene una densidad menor que la del agua, la cual se incrementa hasta aproximadamente 100 veces la densidad del plomo. En estas condiciones, la tasa de fusión es tan alta que el combustible se fusiona en los microsegundos que tarda el calor generado por las reacciones en desintegrarlo. Si bien NIF también es grande, esto se debe al diseño de su "motor", no al proceso de fusión en sí.

Se han propuesto diversos métodos para capturar la energía que produce la fusión. El más sencillo consiste en calentar un fluido. La reacción D-T, comúnmente utilizada, libera gran parte de su energía en forma de neutrones de alta velocidad. Al ser eléctricamente neutro, el neutrón no se ve afectado por el sistema de confinamiento. En la mayoría de los diseños, se captura en una gruesa capa de litio que rodea el núcleo del reactor. Al ser impactada por un neutrón de alta energía, esta capa se calienta. Posteriormente, se enfría activamente con un fluido de trabajo que acciona una turbina para generar energía.

Otro diseño propuso utilizar los neutrones para generar combustible de fisión en una capa de residuos nucleares , un concepto conocido como híbrido de fisión-fusión . En estos sistemas, la potencia de salida se ve incrementada por los eventos de fisión, y la energía se extrae utilizando sistemas similares a los de los reactores de fisión convencionales. ^{[ 14 ]}

Los diseños que utilizan otros combustibles, en particular la reacción de fusión aneutrónica protón-boro , liberan mucha más energía en forma de partículas cargadas. En estos casos, es posible desarrollar sistemas de extracción de energía basados ​​en el movimiento de estas cargas. La conversión directa de energía se desarrolló en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en la década de 1980 como un método para mantener un voltaje directamente utilizando los productos de la reacción de fusión. Esto ha demostrado una eficiencia de captura de energía del 48 por ciento. ^{[ 15 ]}

• Tokamak : El método más desarrollado y financiado. Este método impulsa plasma caliente dentro de un toroide confinado magnéticamente , con una corriente eléctrica interna. Una vez completado, ITER se convertirá en el tokamak más grande del mundo. En septiembre de 2018, se estimaba que había 226 tokamaks experimentales en fase de planificación, desmantelados o en funcionamiento (50) en todo el mundo. ^{[ 21 ]}
  • Tokamak esférico : También conocido como toroide esférico. Una variante del tokamak con forma esférica.
• Estelarador : Anillos retorcidos de plasma caliente. El estelarador intenta crear una trayectoria de plasma retorcida natural mediante imanes externos. Los estelaradores fueron desarrollados por Lyman Spitzer en 1950 y evolucionaron en cuatro diseños: Torsatron, Heliotron, Heliac y Helias. Un ejemplo es el Wendelstein 7-X , un dispositivo alemán. Es el estelarador más grande del mundo. ^{[ 22 ]}
• Anillos internos: Los stellarators crean un plasma retorcido mediante imanes externos, mientras que los tokamaks lo hacen mediante una corriente inducida en el plasma. Diversos diseños proporcionan esta torsión utilizando conductores dentro del plasma. Los primeros cálculos mostraron que las colisiones entre el plasma y los soportes de los conductores eliminarían energía más rápido de lo que las reacciones de fusión podrían reponerla. Las variantes modernas, incluido el Experimento de Dipolo Levitado (LDX), utilizan un toroide superconductor sólido que se levita magnéticamente dentro de la cámara del reactor. ^{[ 23 ]}
• Espejo magnético : Desarrollado por Richard F. Post y sus equipos en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ( LLNL ) en la década de 1960. ^{[ 24 ]} Los espejos magnéticos reflejan el plasma de un lado a otro en línea recta. Entre las variaciones se incluyen el espejo tándem , la botella magnética y la cúspide bicónica . ^{[ 25 ]} El gobierno de EE. UU. construyó una serie de máquinas de espejos en las décadas de 1970 y 1980, principalmente en el LLNL. ^{[ 26 ]} Sin embargo, los cálculos de la década de 1970 estimaron que era improbable que alguna vez fueran comercialmente útiles.
• Toroide irregular : Varios espejos magnéticos se disponen uno tras otro formando un anillo toroidal. Los iones de combustible que se escapan de uno quedan confinados en un espejo vecino, lo que permite elevar la presión del plasma a niveles arbitrariamente altos sin pérdidas. En la década de 1970, se construyó y probó una instalación experimental, el Toroide Irregular ELMO (EBT), en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL).
• Configuración de campo invertido : Este dispositivo atrapa el plasma en una estructura cuasiestable autoorganizada, donde el movimiento de las partículas crea un campo magnético interno que luego se atrapa a sí mismo. ^{[ 27 ]}
• Esferomak : Similar a una configuración de campo invertido, una estructura de plasma semiestable creada mediante el uso del campo magnético autogenerado del plasma. Un esferomak tiene campos toroidales y poloidales, mientras que una configuración de campo invertido no tiene campo toroidal. ^{[ 28 ]}
• Dynomak : Un esferomak que se forma y se mantiene mediante la inyección continua de flujo magnético . ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}
• Estrangulamiento de campo invertido : Aquí el plasma se mueve dentro de un anillo. Tiene un campo magnético interno. Al alejarse del centro de este anillo, el campo magnético invierte su dirección.

• Accionamiento indirecto: Los láseres calientan una estructura llamada Hohlraum que alcanza una temperatura tan alta que comienza a irradiar rayos X. Estos rayos X calientan una pastilla de combustible, provocando que se contraiga hacia adentro y comprima el combustible. El sistema más grande que utiliza este método es la Instalación Nacional de Ignición , seguida de cerca por Laser Mégajoule . ^{[ 32 ]}
• Accionamiento directo: Los láseres calientan directamente la pastilla de combustible. Se han realizado importantes experimentos de accionamiento directo en el Laboratorio de Energía Láser (LLE) y en las instalaciones de GEKKO XII . Para lograr buenas implosiones, se requieren pastillas de combustible con una forma casi perfecta que generen una onda de choque interna simétrica , la cual produce el plasma de alta densidad.
• Encendido rápido: Utiliza dos disparos láser. El primer disparo comprime el combustible de fusión y el segundo lo enciende. (Datos de 2019), este método había perdido popularidad para la producción de energía. ^{[ 33 ]}
• Fusión magnetoinercial o fusión inercial con revestimiento magnetizado : Este proceso combina un pulso láser con un pinzamiento magnético. La comunidad de pinzamiento lo denomina fusión inercial con revestimiento magnetizado, mientras que la comunidad de FCI lo denomina fusión magnetoinercial. ^{[ 34 ]}
• Haces de iones: Los iones reemplazan la luz (láseres) en haces que implosionan y calientan pastillas de combustible. ^{[ 35 ]} La principal diferencia es que el haz tiene un momento significativamente mayor debido a la masa de los iones, en comparación con un láser de igual potencia. A partir de 2019, parece improbable que los haces de iones puedan enfocarse suficientemente en el espacio y en el tiempo.
• Máquina Z : Envía una corriente eléctrica a través de finos cables de tungsteno, calentándolos lo suficiente como para generar rayos X. Al igual que en el método de propulsión indirecta, estos rayos X comprimen una cápsula de combustible.

• Z-pinch : Una corriente viaja en la dirección z a través del plasma. La corriente genera un campo magnético que comprime el plasma. Los pinchs fueron el primer método para la fusión controlada artificial. ^{[ 36 ] [ 37 ]} El z-pinch tiene inestabilidades inherentes que limitan su compresión y calentamiento a valores demasiado bajos para la fusión práctica. La máquina más grande de este tipo, el ZETA del Reino Unido , fue el último gran experimento de este tipo. Los problemas del z-pinch llevaron al diseño del tokamak. El foco de plasma denso es una variación posiblemente superior.
• Efecto theta : Una corriente eléctrica circula alrededor de la columna de plasma en la dirección theta. Esto induce un campo magnético que recorre el centro del plasma, en lugar de rodearlo. El primer dispositivo de efecto theta, Scylla, fue el primero en demostrar de forma concluyente la fusión nuclear, pero estudios posteriores demostraron que tenía limitaciones inherentes que lo hacían poco interesante para la producción de energía.
• Estabilización del z-pinch mediante flujo cortante : La investigación realizada en la Universidad de Washington bajo la dirección de Uri Shumlak investigó el uso de la estabilización mediante flujo cortante para suavizar las inestabilidades habituales de los z-pinches inestables. Esto implica acelerar gas neutro a lo largo del eje del pinch. Las máquinas experimentales incluyeron los reactores experimentales FuZE y Zap Flow Z-Pinch. ^{[ 38 ]} En 2017, el inversor y empresario tecnológico británico Benj Conway , junto con los físicos Brian Nelson y Uri Shumlak, cofundaron Zap Energy para intentar comercializar la tecnología para la producción de energía. ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}
• Pinza de tornillo : Combina una pinza theta y una pinza z para una mayor estabilidad. ^{[ 42 ]}

• Polywell : Intenta combinar el confinamiento magnético con campos electrostáticos para evitar laspérdidas por conducción generadas por la jaula. ^{[ 43 ]}

• Fusión con objetivo magnetizado : Confina plasma caliente mediante un campo magnético y lo comprime mediante inercia. Algunos ejemplos son la máquina LANL FRX-L, ^{[ 44 ]} General Fusion (compresión de pistón con revestimiento de metal líquido) e HyperJet Fusion (compresión de chorro de plasma con revestimiento de plasma). ^{[ 45 ] [ 46 ]}
• Sin control : La fusión nuclear ha sido iniciada por el hombre mediante explosiones de fisión incontroladas para estimularla. Las primeras propuestas para la energía de fusión incluían el uso de bombas para iniciar las reacciones. Véase el Proyecto PACER .

• Fusión por confinamiento reticular (LCF) : Los metales saturados de deuterones se exponen a radiación gamma o haces de iones, como en un fusor IEC , evitando los plasmas confinados de alta temperatura utilizados en la mayoría de los demás tipos de reactores. ^{[ 47 ] [ 48 ]}
• Fusión catalizada por muones : En las moléculas diatómicas de isótopos de hidrógeno , los electrones son reemplazados por muones : partículas más masivas con la misma carga eléctrica . Su mayor masa reduce el tamaño de la molécula y supera la mayor parte de la repulsión electrostática ( barrera de Coulomb ) que impide la fusión. ^{[ 49 ]} En 2007, la producción de muones requería más energía de la que se podía obtener mediante la fusión catalizada por muones. ^{[ 50 ]}
• Iluminación láser de alta intensidad : Un análisis teórico chino multiinstitucional (Centro de Tecnología de Aplicación de Láser Intenso, Universidad Nacional de Tecnología de Defensa, Academia China de Física de la Ingeniería) indica que la iluminación láser de alta intensidad (> ^10²⁰ vatios/cm² ⁾ puede reducir sustancialmente (~10×) las temperaturas a las que se fusionan los núcleos, aumentando considerablemente las tasas de reacción (10³ ^– 10⁹ ^× ). El mecanismo consiste en que los láseres de longitud de onda más larga, cercanos al infrarrojo , son más eficientes, mediante interacciones multifotónicas que aumentan la probabilidad de tunelización cuántica nuclear , que los láseres de longitud de onda más corta, para superar la barrera de Coulomb que normalmente impide la fusión de los núcleos. Esto podría utilizarse para asistir a la mayoría de las reacciones y dispositivos de fusión. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

Cuando se utilizan solos, de forma aislada, estos métodos consumen inherentemente más energía de la que pueden proporcionar mediante la fusión.

• Fusor : Un campo eléctrico calienta los iones hasta alcanzar las condiciones de fusión. La máquina suele utilizar dos jaulas esféricas, un cátodo dentro del ánodo, en el vacío. Estas máquinas no se consideran una opción viable para la generación de energía neta debido a sus elevadas pérdidas por conducción y radiación . ^{[ 53 ]} Son lo suficientemente sencillas de construir como para que aficionados hayan logrado fusionar átomos utilizándolas. ^{[ 54 ]}
• Fusión por colisión de haces : Un haz de partículas de alta energía disparado contra otro haz o blanco puede iniciar la fusión. Esto se utilizó en las décadas de 1970 y 1980 para estudiar las secciones transversales de las reacciones de fusión. ^{[ 8 ]} Sin embargo, los sistemas de haces no pueden utilizarse para generar energía, ya que mantener un haz coherente requiere más energía que la que se obtiene de la fusión.

Se ha utilizado un sistema de aprendizaje por refuerzo profundo para controlar un reactor basado en tokamak . ^{[ 56 ]} El sistema pudo manipular las bobinas magnéticas para gestionar el plasma. El sistema pudo ajustarse continuamente para mantener un comportamiento adecuado (más complejo que los sistemas basados ​​en pasos). En 2014, Google comenzó a trabajar con la empresa de fusión con sede en California TAE Technologies para controlar el Joint European Torus (JET) para predecir el comportamiento del plasma. ^{[ 57 ]} DeepMind también ha desarrollado un esquema de control con TCV . ^{[ 57 ]} Investigadores del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) y la Universidad de Princeton hicieron avances significativos utilizando inteligencia artificial para controlar el plasma en un tokamak, logrando un alto confinamiento sin ráfagas de energía dañinas en el borde (modos localizados en el borde conocidos) en dos tokamaks: DIII-D y KSTAR . ^{[ 58 ]} Una colaboración internacional que involucró a algunos de los mismos investigadores de la Universidad de Princeton y PPPL, así como a investigadores de la Universidad Chung-Ang , la Universidad de Columbia y la Universidad Nacional de Seúl , también dio lugar a un nuevo sistema de IA conocido como Diag2Diag, que completa los datos faltantes de los sensores para los sistemas de fusión, ofreciendo más detalles de los que podría haber proporcionado un sensor del mundo real. Los datos recopilados de la investigación de Diag2Diag también proporcionaron nuevo apoyo a una teoría principal sobre el control de las disrupciones del plasma. ^{[ 59 ] [ 60 ]}

• Calentamiento electrostático: un campo eléctrico puede realizar trabajo sobre iones o electrones cargados, calentándolos. ^{[ 61 ]}
• Inyección de haz neutro : el hidrógeno se ioniza y acelera mediante un campo eléctrico para formar un haz cargado que se dirige a través de una fuente de gas hidrógeno neutro hacia el plasma, el cual se ioniza y se mantiene contenido por un campo magnético. Parte del gas hidrógeno intermedio se acelera hacia el plasma mediante colisiones con el haz cargado, permaneciendo neutro; este haz neutro no se ve afectado por el campo magnético y, por lo tanto, llega al plasma. Una vez dentro del plasma, el haz neutro transmite energía al plasma mediante colisiones que lo ionizan y permiten que sea contenido por el campo magnético, calentando y recargando así el reactor en una sola operación. El resto del haz cargado se desvía mediante campos magnéticos hacia absorbedores de haz refrigerados. El calentamiento por haz neutro se utilizó ampliamente en el PLT entre 1975 y 1986. Las temperaturas iónicas máximas alcanzadas establecieron un récord mundial, llegando a 75 millones de K, muy por encima del mínimo necesario para un dispositivo de fusión práctico. ^{[ 62 ]}
• Calentamiento por radiofrecuencia: una onda de radio provoca la oscilación del plasma (por ejemplo, en un horno microondas ). Esto también se conoce como calentamiento por resonancia ciclotrónica electrónica , utilizando, por ejemplo, girotrones , o calentamiento dieléctrico . ^{[ 63 ]}
• Reconexión magnética : cuando el plasma se vuelve denso, sus propiedades electromagnéticas pueden cambiar, lo que puede provocar una reconexión magnética . La reconexión favorece la fusión porque libera energía instantáneamente en el plasma, calentándolo rápidamente. Hasta el 45 % de la energía del campo magnético puede calentar los iones. ^{[ 64 ] [ 65 ]}
• Oscilaciones magnéticas: se pueden suministrar corrientes eléctricas variables a bobinas magnéticas que calientan plasma confinado dentro de una pared magnética. ^{[ 66 ]}
• Aniquilación de antiprotones: los antiprotones inyectados en una masa de combustible de fusión pueden inducir reacciones termonucleares. Esta posibilidad como método de propulsión de naves espaciales, conocida como propulsión nuclear por pulsos catalizada por antimateria , fue investigada en la Universidad Estatal de Pensilvania en el marco del proyecto AIMStar .

Los diagnósticos de un reactor científico de fusión son extremadamente complejos y variados. ^{[ 67 ]} Los diagnósticos requeridos para un reactor de potencia de fusión serán diversos pero menos complicados que los de un reactor científico ya que para el momento de la comercialización, muchos diagnósticos de control y retroalimentación en tiempo real se habrán perfeccionado. Sin embargo, el entorno operativo de un reactor de fusión comercial será más hostil para los sistemas de diagnóstico que en un reactor científico porque las operaciones continuas pueden implicar temperaturas de plasma más altas y niveles más altos de irradiación de neutrones. En muchos enfoques propuestos, la comercialización requerirá la capacidad adicional de medir y separar gases desviadores, por ejemplo helio e impurezas, y de monitorear la reproducción del combustible, por ejemplo el estado de un revestimiento de litio líquido de reproducción de tritio. ^{[ 68 ]} A continuación se presentan algunas técnicas básicas.

• Bucle de flujo : se inserta un bucle de alambre en el campo magnético. Al pasar el campo a través del bucle, se genera una corriente. Esta corriente mide el flujo magnético total a través del bucle. Este método se ha utilizado en el Experimento Nacional Compacto Estelarador (NCSTE) , ^{[ 69 ]} el Polywell ^{[ 70 ]} y las máquinas LDX . También se puede emplear una sonda de Langmuir , un objeto metálico colocado en un plasma. Se le aplica un potencial, lo que le confiere una tensión respecto al plasma circundante. El metal recoge partículas cargadas, generando una corriente. A medida que cambia la tensión, cambia la corriente. Esto crea una curva I-V . La curva I-V se puede utilizar para determinar la densidad, el potencial y la temperatura locales del plasma. ^{[ 71 ]}
• Dispersión de Thomson : La dispersión de la luz en el plasma puede utilizarse para reconstruir su comportamiento, incluyendo la densidad y la temperatura. Es común en la fusión por confinamiento inercial (ICF) , ^{[ 72 ]} los tokamaks [ ^{73 ]} y los fusores . En los sistemas ICF, al disparar un segundo haz contra una lámina de oro adyacente al blanco ^, se generan rayos X que atraviesan el plasma. En los tokamaks, esto se puede lograr utilizando espejos y detectores para reflejar la luz.
• Detectores de neutrones : Existen varios tipos de detectores de neutrones que pueden registrar la tasa de producción de neutrones. ^{[ 74 ] [ 75 ]}
• Detectores de rayos X: Se emiten rayos visibles, infrarrojos, ultravioleta y rayos X cada vez que una partícula cambia de velocidad. ^{[ 76 ]} Si la causa es la desviación por un campo magnético, la radiación es radiación ciclotrónica a bajas velocidades y radiación sincrotrónica a altas velocidades. Si la causa es la desviación por otra partícula, el plasma emite rayos X, conocidos como radiación de frenado . ^{[ 77 ]}

Las mantas de neutrones absorben neutrones, lo que calienta la manta. Se puede extraer energía de la manta de varias maneras:

• Las turbinas de vapor pueden ser impulsadas por el calor transferido a un fluido de trabajo que se convierte en vapor, impulsando así generadores eléctricos. ^{[ 78 ]}
• Mantas de neutrones: Estos neutrones pueden regenerar el combustible de fisión gastado. ^{[ 79 ]} El tritio se puede producir utilizando una manta reproductora de litio líquido o un lecho de guijarros refrigerado con helio hecho de guijarros cerámicos que contienen litio. ^{[ 80 ]}
• Conversión directa de energía : La energía cinética de una partícula puede convertirse en voltaje . ^{[ 24 ]} Fue propuesta por primera vez por Richard F. Post, en combinación con espejos magnéticos , a finales de la década de 1960. Se ha propuesto para configuraciones de campo invertido y dispositivos de enfoque de plasma denso . El proceso convierte una gran fracción de la energía aleatoria de los productos de fusión en movimiento dirigido. Las partículas se recogen en electrodos a diversos potenciales eléctricos elevados. Este método ha demostrado una eficiencia experimental del 48 por ciento. ^{[ 81 ]}
• Los tubos de onda progresiva hacen pasar átomos de helio cargados a varios megavoltios, recién salidos de la reacción de fusión, a través de un tubo con una bobina de alambre en su exterior. Esta carga de alto voltaje impulsa la electricidad a través del alambre.

El confinamiento se refiere a todas las condiciones necesarias para mantener un plasma denso y caliente el tiempo suficiente para que se produzca la fusión. Principios generales:

• Equilibrio : Las fuerzas que actúan sobre el plasma deben estar equilibradas. Una excepción es el confinamiento inercial , donde la fusión debe ocurrir más rápido que el tiempo de dispersión.
• Estabilidad : El plasma debe construirse de manera que las perturbaciones no provoquen su dispersión.
• Transporte o conducción : La pérdida de material debe ser suficientemente lenta. ^{[ 9 ]} El plasma transporta energía consigo, por lo que una pérdida rápida de material interrumpirá la fusión. El material puede perderse por transporte a diferentes regiones o por conducción a través de un sólido o un líquido.

Para producir fusión autosostenible, parte de la energía liberada por la reacción debe utilizarse para calentar nuevos reactivos y mantener las condiciones para la fusión.

La reacción nuclear más sencilla, a la energía más baja, es D+T:

² ₁ D+ ³ ₁ T→ ⁴ ₂ He(3,5 MeV) + ¹ ₀ n(14,1 MeV)

Esta reacción es común en investigación y en aplicaciones industriales y militares, generalmente como fuente de neutrones. El deuterio es un isótopo natural del hidrógeno y es fácilmente accesible. La gran proporción de masas de los isótopos de hidrógeno facilita su separación en comparación con el proceso de enriquecimiento de uranio . El tritio es un isótopo natural del hidrógeno, pero debido a su corta vida media de 12,32 años, es difícil de encontrar, almacenar y producir, además de ser costoso. Por consiguiente, el ciclo del combustible deuterio-tritio requiere la generación de tritio a partir de litio mediante una de las siguientes reacciones:

¹ ₀ norte+ ⁶ ₃ Li→ ³ ₁ T+ ⁴ ₂ Él

¹ ₀ norte+ ⁷ ₃ Li→ ³ ₁ T+ ⁴ ₂ Él+ ¹ ₀ norte

El neutrón reactivo es suministrado por la reacción de fusión D–T mostrada arriba, y es la que tiene el mayor rendimiento energético. La reacción con ⁶ Li es exotérmica , proporcionando una pequeña ganancia de energía para el reactor. La reacción con ⁷ Li es endotérmica , pero no consume el neutrón. Se requieren reacciones de multiplicación de neutrones para reemplazar los neutrones perdidos por absorción de otros elementos. Los principales materiales candidatos para la multiplicación de neutrones son el berilio y el plomo , pero la reacción con ⁷ Li ayuda a mantener alta la población de neutrones. El litio natural es principalmente ⁷ Li, que tiene una sección transversal de producción de tritio baja en comparación con ⁶ Li, por lo que la mayoría de los diseños de reactores utilizan mantos reproductores con ⁶ Li enriquecido .

Entre los inconvenientes que se suelen atribuir a la energía de fusión D-T se incluyen:

• El suministro de neutrones produce la activación neutrónica de los materiales del reactor. ^{[ 93 ] :242}
• El 80% de la energía resultante es transportada por neutrones, lo que limita el uso de la conversión directa de energía. ^{[ 94 ]}
• Requiere el radioisótopo tritio. El tritio puede filtrarse de los reactores. Algunas estimaciones sugieren que esto representaría una liberación sustancial de radiactividad ambiental. ^{[ 95 ]}

El flujo de neutrones previsto en un reactor de fusión D-T comercial es aproximadamente 100 veces mayor que el de los reactores de fisión, lo que plantea problemas para el diseño de materiales . Tras una serie de pruebas D-T en JET , la cámara de vacío resultó ser tan radiactiva que requirió manipulación remota durante el año siguiente a las pruebas. ^{[ 96 ]}

En un entorno de producción, los neutrones reaccionarían con el litio en la manta reproductora compuesta de guijarros cerámicos de litio o litio líquido, produciendo tritio. La energía de los neutrones se acumula en el litio, que luego se transfiere para impulsar la producción eléctrica. La manta de litio protege las partes exteriores del reactor del flujo de neutrones. Los diseños más recientes, en particular el tokamak avanzado, utilizan litio dentro del núcleo del reactor como elemento de diseño. El plasma interactúa directamente con el litio, evitando un problema conocido como "reciclaje". La ventaja de este diseño se demostró en el Experimento del Tokamak de Litio .

La fusión de dos núcleos de deuterio es la segunda reacción de fusión más sencilla. La reacción tiene dos ramas que ocurren con una probabilidad casi igual:

² ₁ D+ ² ₁ D→ ³ ₁ T+ ¹ ₁ H

² ₁ D+ ² ₁ D→ ³ ₂ He+ ¹ ₀ n

Esta reacción también es común en la investigación. La energía óptima para iniciar esta reacción es de 15  keV, solo ligeramente superior a la de la reacción D-T. La primera rama produce tritio, por lo que un reactor D-D no está libre de tritio, aunque no requiera un aporte de tritio ni de litio. A menos que los tritones se eliminen rápidamente, la mayor parte del tritio producido se quema en el reactor, lo que reduce su manipulación, con la desventaja de producir más neutrones y de mayor energía. El neutrón de la segunda rama de la reacción D-D tiene una energía de solo 2,45 MeV (0,393 pJ) , mientras que el neutrón de la reacción D-T tiene una energía de 14,1 MeV (2,26 pJ) , lo que resulta en una mayor producción de isótopos y daños en el material. Cuando los tritones se eliminan rápidamente permitiendo que el ^³He reaccione, el ciclo del combustible se denomina "fusión suprimida por tritio". ^{[ 97 ]} El tritio extraído se desintegra en ^3He con una vida media de 12,32 años. Al reciclar el producto de desintegración ^3He en el reactor, el reactor de fusión no requiere materiales resistentes a los neutrones rápidos.    

Suponiendo la eliminación completa del tritio y el reciclaje de ^3He , solo el 6% de la energía de fusión es transportada por neutrones. La fusión D-D suprimida con tritio requiere un confinamiento de energía 10 veces más prolongado que la fusión D-T y el doble de temperatura del plasma. ^{[ 98 ]}

Un enfoque de segunda generación para la energía de fusión controlada implica la combinación de helio-3 ( ^³He ) y deuterio ( ^²H ):

² ₁ D+ ³ ₂ He→ ⁴ ₂ He+ ¹ ₁ H

Esta reacción produce ^4He y un protón de alta energía. Al igual que con el ciclo de combustible de fusión aneutrónica p- ^{11B , la mayor parte de la energía de la reacción se libera como partículas cargadas, lo que reduce} la activación de la carcasa del reactor y permite potencialmente una recolección de energía más eficiente (a través de varias vías). ^{[ 99 ]} En la práctica, las reacciones secundarias D-D producen una cantidad significativa de neutrones, lo que convierte al p- ^11B en el ciclo preferido para la fusión aneutrónica. ^{[ 99 ]}

Tanto los problemas de ciencia de materiales como las preocupaciones sobre la no proliferación se reducen considerablemente con la fusión aneutrónica . Teóricamente, el combustible aneutrónico más reactivo es ^{el ³He} . Sin embargo, obtener cantidades razonables de ^³He implica la minería extraterrestre a gran escala en la Luna o en la atmósfera de Urano o Saturno. Por lo tanto, el combustible candidato más prometedor para dicha fusión es la fusión del protio (es decir, un protón ) y el boro, ambos fácilmente disponibles . Su fusión no libera neutrones, pero produce partículas alfa (helio) cargadas y energéticas cuya energía puede convertirse directamente en energía eléctrica.

¹ ₁ H+ ¹¹ ₅ B→ 3 ⁴ ₂ He

Es probable que las reacciones secundarias produzcan neutrones que transportan solo alrededor del 0,1 % de la potencia, ^{[ 100 ] :177–182} lo que significa que la dispersión de neutrones no se utiliza para la transferencia de energía y la activación del material se reduce varios miles de veces. La temperatura óptima para esta reacción de 123 keV ^{[ 101 ]} es casi diez veces mayor que la de las reacciones de hidrógeno puro, y el confinamiento de energía debe ser 500 veces mejor que el requerido para la reacción D–T. Además, la densidad de potencia es 2500 veces menor que para D–T, aunque por unidad de masa de combustible, esto sigue siendo considerablemente mayor en comparación con los reactores de fisión.

Debido a que las propiedades de confinamiento del tokamak y la fusión por láser de pellets son marginales, la mayoría de las propuestas para la fusión aneutrónica se basan en conceptos de confinamiento radicalmente diferentes, como el Polywell y el foco de plasma denso . En 2013, un equipo de investigación liderado por Christine Labaune en la École Polytechnique informó un nuevo récord de tasa de fusión para la fusión protón-boro, con un estimado de 80 millones de reacciones de fusión durante un disparo láser de 1,5 nanosegundos, 100 veces mayor que lo informado en experimentos anteriores. ^{[ 102 ] [ 103 ]}

En un plasma inmerso en un campo magnético (conocido como plasma magnetizado), la tasa de fusión aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la intensidad del campo magnético. Por este motivo, muchas empresas de fusión que dependen de campos magnéticos para controlar su plasma están desarrollando dispositivos superconductores de alta temperatura. En 2021, SuperOx, una empresa ruso-japonesa, desarrolló un nuevo proceso de fabricación para producir alambre superconductor de YBCO para reactores de fusión. Se demostró que este nuevo alambre conduce entre 700 y 2000 amperios por milímetro cuadrado. La empresa logró producir 186 millas de alambre en nueve meses. ^{[ 112 ]}

Incluso a escalas de producción más pequeñas, el aparato de contención se ve sometido a un bombardeo de materia y energía. Los diseños para la contención de plasma deben tener en cuenta lo siguiente:

• Un ciclo de calefacción y refrigeración, con una carga térmica de hasta 10  MW/m² ^.
• La radiación de neutrones , que con el tiempo conduce a la activación de neutrones y a la fragilización .
• Los iones de alta energía salen a decenas o cientos de electronvoltios .
• Partículas alfa que salen a millones de electronvoltios .
• Los electrones salen con alta energía.
• Radiación luminosa (infrarroja, visible, ultravioleta, rayos X).

Dependiendo del enfoque, estos efectos pueden ser mayores o menores que en los reactores de fisión. ^{[ 113 ]} Dependiendo del enfoque, otras consideraciones como la conductividad eléctrica , la permeabilidad magnética y la resistencia mecánica son importantes. Los materiales tampoco deben convertirse en residuos radiactivos de larga duración . ^{[ 104 ]}

Para un uso prolongado, se espera que cada átomo en la pared sea impactado por un neutrón y desplazado aproximadamente 100 veces antes de que el material sea reemplazado. Estas colisiones de neutrones de alta energía con los átomos en la pared dan como resultado la absorción de los neutrones, formando isótopos inestables de los átomos. Cuando el isótopo se desintegra, puede emitir partículas alfa , protones o rayos gamma . Las partículas alfa, una vez estabilizadas por la captura de electrones, forman átomos de helio que se acumulan en los límites de grano y pueden provocar hinchazón, ampollas o fragilización del material. ^{[ 113 ] [ 114 ]}

El tungsteno es ampliamente considerado como el material óptimo para los componentes en contacto con el plasma en los dispositivos de fusión de próxima generación debido a sus propiedades únicas y su potencial de mejora. Sus bajas tasas de pulverización catódica y su alto punto de fusión lo hacen particularmente adecuado para los entornos de alta tensión de los reactores de fusión, lo que le permite soportar condiciones intensas sin una rápida degradación. Además, la baja retención de tritio del tungsteno mediante codeposición e implantación es esencial en contextos de fusión, ya que ayuda a minimizar la acumulación de este isótopo radiactivo. ^{[ 115 ] [ 116 ] [ 117 ] [ 118 ]}

Se han propuesto metales líquidos (litio, galio , estaño  ), por ejemplo, mediante la inyección de corrientes de 1 a 5 mm de espesor que fluyen a 10  m/s sobre sustratos sólidos.

El grafito presenta una tasa de erosión bruta debido a la pulverización catódica física y química que asciende a muchos metros por año, lo que requiere la redeposición del material pulverizado. El sitio de redeposición generalmente no coincide exactamente con el sitio de pulverización, lo que permite una erosión neta que puede ser prohibitiva. Un problema aún mayor es que el tritio se redeposita con el grafito redepositado. El inventario de tritio en la pared y el polvo podría acumularse hasta alcanzar muchos kilogramos, lo que representa un desperdicio de recursos y un riesgo radiológico en caso de accidente. El grafito fue bien recibido como material para experimentos de corta duración, pero parece improbable que se convierta en el material principal en contacto con el plasma (PFM) en un reactor comercial. ^{[ 104 ] [ 119 ]}

Los materiales cerámicos como el carburo de silicio (SiC) presentan problemas similares a los del grafito. La retención de tritio en los componentes de carburo de silicio expuestos al plasma es aproximadamente 1,5 a 2 veces mayor que en el grafito, lo que reduce la eficiencia del combustible y aumenta los riesgos de seguridad en los reactores de fusión. El SiC tiende a atrapar más tritio, limitando su disponibilidad para la fusión y aumentando el riesgo de acumulación peligrosa, lo que complica la gestión del tritio. ^{[ 120 ] [ 121 ]} Además, la pulverización catódica química y física del SiC sigue siendo significativa, contribuyendo a la acumulación de tritio mediante codeposición a lo largo del tiempo y con el aumento de la fluencia de partículas. Como resultado, los materiales a base de carbono se han excluido de ITER , DEMO y dispositivos similares. ^{[ 122 ]}

La tasa de pulverización catódica del tungsteno es varios órdenes de magnitud menor que la del carbono, y el tritio se incorpora mucho menos al tungsteno redepositado. Sin embargo, las impurezas del plasma de tungsteno son mucho más dañinas que las impurezas de carbono, y la autopulverización catódica puede ser elevada, lo que requiere que el plasma en contacto con el tungsteno no esté demasiado caliente (unas pocas decenas de eV en lugar de cientos de eV). El tungsteno también presenta problemas relacionados con las corrientes parásitas y la fusión en eventos anómalos, así como algunos problemas radiológicos. ^{[ 104 ]}

Los recientes avances en materiales para aparatos de contención han revelado que ciertas cerámicas pueden mejorar la durabilidad del material de dichos aparatos. Estudios sobre fases MAX , como el carburo de silicio y titanio, muestran que, bajo las altas temperaturas de operación de la fusión nuclear, el material experimenta una transformación de fase de una estructura hexagonal a una estructura cúbica centrada en las caras (FCC), impulsada por el crecimiento de burbujas de helio. Los átomos de helio se acumulan preferentemente en la capa de Si de la estructura hexagonal, ya que los átomos de Si son más móviles que las láminas de Ti-C. A medida que se atrapan más átomos, la lámina de Ti-C se desprende, lo que provoca que los átomos de Si se conviertan en átomos intersticiales altamente móviles en la nueva estructura FCC. La tensión reticular inducida por las burbujas de He hace que los átomos de Si se difundan fuera de las áreas de compresión, generalmente hacia la superficie del material, formando una capa protectora de dióxido de silicio. ^{[ 123 ]}

El dopaje de materiales de recipientes con silicato de hierro ha surgido como un enfoque prometedor para mejorar los materiales de contención en reactores de fusión. Este método se centra en la fragilización por helio en los límites de grano, un problema común que surge cuando los átomos de helio se acumulan y forman burbujas. Con el tiempo, estas burbujas se fusionan en los límites de grano, lo que provoca su expansión y la degradación de la integridad estructural del material. Por el contrario, la introducción de silicato de hierro crea sitios de nucleación dentro de la matriz metálica que son termodinámicamente más favorables para la agregación de helio. Esta congregación localizada alrededor de nanopartículas de silicato de hierro induce tensión en la matriz en lugar de debilitar los límites de grano, preservando la resistencia y la durabilidad del material. ^{[ 124 ] [ 125 ]}

El potencial de accidentes y el efecto en el medio ambiente son fundamentales para la aceptación social de la fusión nuclear, también conocida como licencia social . ^{[ 126 ]} Los reactores de fusión no están sujetos a una fusión catastrófica . ^{[ 127 ]} Requiere parámetros precisos y controlados de temperatura, presión y campo magnético para producir energía neta, y cualquier daño o pérdida del control requerido detendría rápidamente la reacción. ^{[ 128 ]} Los reactores de fusión operan con combustible que dura segundos o incluso microsegundos en cualquier momento. Sin recarga activa, las reacciones se detienen inmediatamente. ^{[ 127 ]}

^{Las mismas restricciones impiden reacciones descontroladas. Aunque se espera que el plasma} tenga un volumen de 1000 m³ (35 000 ft³ ⁾ o más, normalmente contiene solo unos pocos gramos de combustible. ^{[ 127 ]} En comparación, un reactor de fisión suele estar cargado con suficiente combustible para meses o años, y no se necesita combustible adicional para continuar la reacción. Este gran suministro de combustible es lo que ofrece la posibilidad de una fusión. ^{[ 129 ]}  

En un sistema de contención magnética, se generan campos magnéticos intensos en bobinas que se mantienen fijas mecánicamente mediante la estructura del reactor. Un fallo en esta estructura podría liberar dicha tensión y provocar la explosión del imán. La gravedad de este suceso sería similar a la de otros accidentes industriales o a la de una máquina de resonancia magnética , y podría ser contenida eficazmente dentro de un edificio de contención similar a los utilizados en reactores de fisión.

En el confinamiento inercial impulsado por láser, el mayor tamaño de la cámara de reacción reduce la tensión en los materiales. Si bien es posible que falle la cámara de reacción, detener el suministro de combustible evita una falla catastrófica. ^{[ 130 ]}

Una pérdida de superconductividad magnética es una interrupción anormal del funcionamiento de un imán que ocurre cuando parte de la bobina superconductora abandona el estado superconductor (vuelve a la normalidad). Esto puede suceder porque el campo magnético dentro del imán es demasiado intenso, la velocidad de cambio del campo es demasiado alta (lo que provoca corrientes parásitas y el consiguiente calentamiento de la matriz de soporte de cobre), o una combinación de ambos factores.

En raras ocasiones, un defecto en el imán puede provocar una pérdida de superconductividad. Cuando esto sucede, ese punto específico se somete a un rápido calentamiento Joule debido a la corriente, lo que eleva la temperatura de las regiones circundantes. Esto también provoca que dichas regiones vuelvan a su estado normal, lo que genera un mayor calentamiento en una reacción en cadena. El imán completo vuelve rápidamente a su estado normal en cuestión de segundos, dependiendo del tamaño de la bobina superconductora. Esto se acompaña de un fuerte estallido, ya que la energía del campo magnético se convierte en calor y el fluido criogénico se evapora. La repentina disminución de la corriente puede generar picos de voltaje inductivo de kilovoltios y arcos eléctricos. Es poco probable que se produzcan daños permanentes en el imán, pero los componentes pueden dañarse por calentamiento localizado, altos voltajes o grandes fuerzas mecánicas.

En la práctica, los imanes suelen contar con dispositivos de seguridad para detener o limitar la corriente cuando se detecta una pérdida de polaridad. Si un imán grande sufre una pérdida de polaridad, el vapor inerte que se forma por la evaporación del fluido criogénico puede representar un riesgo significativo de asfixia para los operarios al desplazar el aire respirable.

Una gran sección de los imanes superconductores del Gran Colisionador de Hadrones ( LHC) del CERN sufrió una pérdida inesperada de superconductividad durante las operaciones de puesta en marcha en 2008, destruyendo varios imanes. ^{[ 131 ]} Para evitar que esto vuelva a ocurrir, los imanes superconductores del LHC están equipados con calentadores de rampa rápida que se activan cuando se detecta una pérdida de superconductividad. Los imanes de flexión dipolar están conectados en serie. Cada circuito de potencia incluye 154 imanes individuales, y si se produce una pérdida de superconductividad, toda la energía almacenada combinada de estos imanes debe liberarse de inmediato. Esta energía se transfiere a enormes bloques de metal que se calientan hasta varios cientos de grados Celsius —debido al calentamiento resistivo— en segundos. Una pérdida de superconductividad en un imán es un "evento bastante rutinario" durante el funcionamiento de un acelerador de partículas. ^{[ 132 ]}

El producto natural de la reacción de fusión es una pequeña cantidad de helio , que es inofensivo para la vida. El tritio, que es peligroso, es difícil de retener por completo.

Aunque el tritio es volátil y biológicamente activo, el riesgo para la salud que supone una liberación es mucho menor que el de la mayoría de los contaminantes radiactivos, debido a su corta vida media (12,32 años) y su muy baja energía de desintegración (~14,95  keV), y porque no se bioacumula (se elimina del cuerpo en forma de agua, con una vida media biológica de 7 a 14 días). ^{[ 133 ]} ITER incorpora instalaciones de contención total para el tritio. ^{[ 134 ]}

Los cálculos sugieren que en una central eléctrica típica habría aproximadamente 1 kilogramo (2,2 lb) de tritio y otros gases radiactivos. La cantidad es lo suficientemente pequeña como para que se diluya hasta alcanzar los límites legalmente aceptables antes de llegar al perímetro de la central . ^{[ 135 ]} 

Se estima que la probabilidad de pequeños accidentes industriales, incluyendo la liberación local de radiactividad y lesiones al personal, es menor en comparación con la fisión nuclear. Estos accidentes incluirían liberaciones accidentales de litio o tritio o el manejo inadecuado de componentes radiactivos del reactor. ^{[ 130 ]}

Los reactores de fusión crean mucho menos material radiactivo que los reactores de fisión. Además, el material que crea es menos dañino biológicamente, y la radiactividad se disipa en un período de tiempo que está dentro de las capacidades de ingeniería existentes para el almacenamiento seguro de residuos a largo plazo. ^{[ 136 ]} En términos específicos, excepto en el caso de la fusión aneutrónica , ^{[ 137 ] [ 138 ]} el flujo de neutrones vuelve radiactivos los materiales estructurales. La cantidad de material radiactivo al apagarse puede ser comparable a la de un reactor de fisión, con diferencias importantes. Las vidas medias de los radioisótopos de fusión y activación neutrónica tienden a ser menores que las de la fisión, por lo que el riesgo disminuye más rápidamente. Mientras que los reactores de fisión producen residuos que permanecen radiactivos durante miles de años, el material radiactivo en un reactor de fusión (aparte del tritio) sería el núcleo del reactor en sí, y la mayor parte de este sería radiactivo durante unos 50 años, con otros residuos de bajo nivel siendo radiactivos durante otros 100 años aproximadamente. ^{[ 139 ]} La corta vida media de los residuos de fusión elimina el desafío del almacenamiento a largo plazo. Después de 500 años, los niveles de radiotoxicidad del material serían los mismos que los de las cenizas de carbón . ^{[ 135 ]} No obstante, la clasificación como residuo de nivel intermedio en lugar de residuo de bajo nivel puede complicar los debates sobre seguridad. ^{[ 140 ] [ 136 ]}

La elección de materiales es menos restrictiva que en la fisión convencional, donde se requieren muchos materiales por sus secciones transversales de neutrones específicas. Los reactores de fusión pueden diseñarse utilizando materiales de "baja activación", que no se vuelven radiactivos fácilmente. El vanadio , por ejemplo, se vuelve mucho menos radiactivo que el acero inoxidable . ^{[ 141 ]} Los materiales de fibra de carbono también son de baja activación, son resistentes y ligeros, y resultan prometedores para reactores láser-inerciales donde no se requiere un campo magnético. ^{[ 142 ]}

La energía de fusión suele proponer el uso de deuterio como combustible, y muchos diseños actuales también utilizan litio . Suponiendo una producción de energía de fusión equivalente a la producción mundial de energía de 1995, de aproximadamente 100 E J/año (= 1 × ^10²⁰ J/año), y que esta no aumente en el futuro, lo cual es improbable, las reservas actuales de litio conocidas durarían 3000 años. Por otro lado, el litio procedente del agua de mar duraría 60 millones de años y, junto con la utilización de un proceso de fusión más complejo que solo utilice deuterio, proporcionaría combustible para 150 mil millones de años. ^{[ 143 ]}

La Unión Europea gastó casi 10 mil millones de euros durante la década de 1990. ^{[ 147 ]} ITER representa una inversión de más de veinte mil millones de dólares, y posiblemente decenas de miles de millones más, incluyendo contribuciones en especie . ^{[ 148 ] [ 149 ]} Bajo el Sexto Programa Marco de la Unión Europea , la investigación de fusión nuclear recibió 750 millones de euros (además de la financiación de ITER), en comparación con 810 millones de euros para la investigación de energía sostenible, ^{[ 150 ]} colocando la investigación en energía de fusión muy por delante de la de cualquier tecnología rival. El Departamento de Energía de los Estados Unidos ha asignado entre 367 y 671 millones de dólares cada año desde 2010, alcanzando su punto máximo en 2020, ^{[ 151 ]} con planes para reducir la inversión a 425 millones de dólares en su solicitud de presupuesto para el año fiscal 2021. ^{[ 152 ]} Aproximadamente una cuarta parte de este presupuesto se destina a apoyar a ITER.

El tamaño de las inversiones y los plazos significaron que la investigación de fusión tradicionalmente fue financiada casi exclusivamente con fondos públicos. Sin embargo, a partir de la década de 2010, la promesa de comercializar una fuente de energía baja en carbono que cambiaría el paradigma comenzó a atraer a una gran cantidad de empresas e inversores. ^{[ 153 ]} Más de dos docenas de empresas emergentes atrajeron más de mil millones de dólares desde aproximadamente 2000 hasta 2020, principalmente desde 2015, y otros tres mil millones en financiación y compromisos relacionados con hitos en 2021, ^{[ 154 ] [ 155 ]} con inversores como Jeff Bezos , Peter Thiel y Bill Gates , así como inversores institucionales como Legal & General y empresas energéticas como Equinor , Eni , Chevron , ^{[ 156 ]} y el grupo chino ENN . ^{[ 68 ] [ 157 ] [ 138 ]} En 2021, Commonwealth Fusion Systems (CFS) obtuvo 1.800 millones de dólares en financiación para la ampliación, y Helion Energy obtuvo 500 millones de dólares con 1.700 millones adicionales condicionados al cumplimiento de hitos. ^{[ 158 ]}

Los escenarios desarrollados en la década de 2000 y principios de la de 2010 analizaron los efectos de la comercialización de la energía de fusión en el futuro de la civilización humana. ^{[ 159 ]} Tomando como referencia la fisión nuclear, estos escenarios contemplaban que ITER y posteriormente DEMO pondrían en marcha los primeros reactores comerciales alrededor de 2050 y una rápida expansión después de mediados de siglo. ^{[ 159 ]} Algunos escenarios enfatizaron las "instalaciones de ciencia nuclear de fusión" como un paso más allá de ITER. ^{[ 160 ] [ 161 ]} Sin embargo, los obstáculos económicos para la energía de fusión basada en tokamaks siguen siendo inmensos, requiriendo inversión para financiar prototipos de reactores tokamak ^{[ 162 ]} y el desarrollo de nuevas cadenas de suministro, ^{[ 163 ]} un problema que afectará a cualquier tipo de reactor de fusión. ^{[ 164 ]} Los diseños de tokamaks parecen requerir mucha mano de obra, ^{[ 165 ]} mientras que el riesgo de comercialización de alternativas como la energía de fusión inercial es alto debido a la falta de recursos gubernamentales. ^{[ 166 ]}

Los escenarios desde 2010 señalan avances en computación y ciencia de materiales que permiten "Plantas Piloto de Fusión" (FPP) nacionales o de costos compartidos en múltiples fases a lo largo de varias vías tecnológicas, ^{[ 167 ] [ 161 ] [ 168 ] [ 169 ] [ 170 ] [ 171 ]} como el Tokamak Esférico del Reino Unido para la Producción de Energía , dentro del marco temporal 2030–2040. ^{[ 172 ] [ 173 ] [ 174 ]} Cabe destacar que, en junio de 2021, General Fusion anunció que aceptaría la oferta del gobierno del Reino Unido para albergar la primera planta de demostración de fusión sustancial de asociación público-privada del mundo, en el Centro Culham para la Energía de Fusión . ^{[ 175 ]} La planta se construirá de 2022 a 2025 y está destinada a liderar el camino para las plantas piloto comerciales a finales de la década de 2020. La planta estará al 70% de su capacidad total y se espera que alcance un plasma estable de 150 millones de grados. ^{[ 176 ]} Otros planes del Reino Unido incluyen un sitio de desarrollo cerca de Retford . ^{[ 177 ]} En los Estados Unidos, las FPP de asociación público-privada con costos compartidos parecen probables, ^{[ 178 ]} y en 2022 el DOE anunció un nuevo Programa de Desarrollo de Fusión Basado en Hitos como pieza central de su Visión Decenal Audaz para la Energía de Fusión Comercial, ^{[ 179 ]} que prevé que equipos liderados por el sector privado entreguen diseños preconceptuales de FPP, definan hojas de ruta tecnológicas y lleven a cabo la I+D necesaria para resolver los problemas científicos y técnicos críticos hacia un diseño de FPP. ^{[ 180 ]} La tecnología de reactores compactos basada en dichas plantas de demostración puede permitir la comercialización a través de un enfoque de flota a partir de la década de 2030 ^{[ 181 ]} si se pueden encontrar mercados tempranos. ^{[ 174 ]}

La adopción generalizada de energías renovables no nucleares ha transformado el panorama energético. Se prevé que estas energías renovables suministren el 74 % de la energía mundial para 2050. ^{[ 182 ]} La constante caída de los precios de las energías renovables supone un desafío para la competitividad económica de la energía de fusión. ^{[ 140 ]}

Algunos economistas sugieren que es improbable que la energía de fusión iguale los costos de otras energías renovables . ^{[ 140 ]} Se espera que las plantas de fusión enfrenten grandes costos de puesta en marcha y de capital . Además, es probable que la operación y el mantenimiento sean costosos. ^{[ 140 ]} Si bien los costos del Reactor de Prueba de Ingeniería de Fusión de China no se conocen bien, se proyectó que un concepto de fusión DEMO de la UE presentaría un costo nivelado de energía (LCOE) de $121/MWh. ^{[ 184 ]}

Los costos del combustible son bajos, pero los economistas sugieren que el costo de la energía para una planta de un gigavatio aumentaría en $16.5 por MWh por cada $1,000 millones de aumento en la inversión de capital para la construcción. También existe el riesgo de que el litio, de fácil obtención, se agote en la fabricación de baterías. Obtenerlo del agua de mar sería muy costoso y podría requerir más energía que la que se generaría. ^{[ 140 ]}

En contraste, las estimaciones del costo nivelado de la energía renovable son sustancialmente más bajas. Por ejemplo, el costo nivelado de la energía solar en 2019 se estimó entre $40 y $46/MWh, la energía eólica terrestre entre $29 y $56/MWh, y la energía eólica marina aproximadamente en $92/MWh. ^{[ 185 ]}

Sin embargo, la energía de fusión aún puede tener un papel que cubra los déficits energéticos dejados por las energías renovables, ^{[ 174 ] [ 140 ]} dependiendo de cómo las prioridades de la administración en materia de energía y justicia ambiental influyan en el mercado. ^{[ 158 ]} En la década de 2020, surgieron estudios socioeconómicos sobre la fusión que comenzaron a considerar estos factores, ^{[ 186 ]} y en 2022 EUROFusion lanzó sus líneas de Estudios Socioeconómicos e Investigación y Desarrollo Prospectivos para investigar cómo dichos factores podrían afectar las vías y los plazos de comercialización. ^{[ 187 ]} De manera similar, en abril de 2023 Japón anunció una estrategia nacional para industrializar la fusión. ^{[ 188 ]} Por lo tanto, la energía de fusión puede funcionar en conjunto con otras fuentes de energía renovables en lugar de convertirse en la fuente de energía primaria. ^{[ 140 ]} En algunas aplicaciones, la energía de fusión podría proporcionar la carga base, especialmente si incluye almacenamiento térmico integrado y cogeneración y considerando el potencial de modernización de las centrales de carbón. ^{[ 174 ] [ 140 ]}

La fusión deuterio-tritio produce helio-4 como subproducto . ^{[ 235 ]}

La primera máquina en lograr la fusión termonuclear controlada fue una máquina de compresión en el Laboratorio Nacional de Los Alamos llamada Scylla I a principios de 1958. El equipo que lo logró estaba liderado por un científico británico llamado James Tuck e incluía a un joven Marshall Rosenbluth . Tuck había participado en el Proyecto Manhattan, pero se había dedicado a trabajar en fusión a principios de la década de 1950. Solicitó financiación para el proyecto como parte de un concurso patrocinado por la Casa Blanca para desarrollar un reactor de fusión junto con Lyman Spitzer . El año anterior, 1957, los británicos habían afirmado haber logrado reacciones de fusión termonuclear en la máquina de compresión Zeta . Sin embargo, resultó que los neutrones que habían detectado provenían de interacciones haz-blanco, no de fusión, y retiraron la afirmación. Un grupo de estudio patrocinado por el CERN sobre fusión termonuclear controlada se reunió de 1958 a 1964. Este grupo se disolvió cuando quedó claro que el CERN había interrumpido su limitado apoyo a la física de plasmas. ^{[ 238 ]}

Scylla I era una máquina clasificada en ese momento, por lo que el logro se mantuvo oculto al público. Un Z-pinch tradicional hace pasar una corriente por el centro de un plasma, lo que crea una fuerza magnética alrededor del exterior que comprime el plasma hasta alcanzar las condiciones de fusión. Scylla I era un θ-pinch , que utilizaba deuterio para hacer pasar una corriente alrededor del exterior de su cilindro y crear una fuerza magnética en el centro. ^{[ 36 ] [ 37 ]} Tras el éxito de Scylla I, Los Alamos continuó construyendo múltiples máquinas de pinch durante los años siguientes.

Spitzer continuó su investigación sobre estelaradores en Princeton. Si bien la fusión no se produjo de inmediato, el esfuerzo condujo a la creación del Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton . ^{[ 239 ] [ 240 ]}

A principios de la década de 1950, los físicos soviéticos IE Tamm y AD Sakharov desarrollaron el concepto del tokamak, combinando un dispositivo de pinzamiento de baja potencia con un estelarador de baja potencia. ^{[ 205 ]} El grupo de AD Sakharov construyó los primeros tokamaks, logrando la primera reacción de fusión cuasiestacionaria. ^{[ 241 ] :90}

Con el tiempo, surgió el concepto de "tokamak avanzado", que incluía plasma no circular, desviadores y limitadores internos, imanes superconductores, operación en la isla de estabilidad aumentada del "modo H" ^{[ 242 ]} y el tokamak compacto, con los imanes en el interior de la cámara de vacío. ^{[ 243 ] [ 244 ]}

La cámara objetivo Novette (esfera metálica con dispositivos de diagnóstico que sobresalen radialmente), que se reutilizó del proyecto Shiva , y dos cadenas láser de nueva construcción visibles al fondo.

La implosión por fusión por confinamiento inercial en el láser Nova durante la década de 1980 fue un factor clave en el desarrollo de la fusión.

Láser Shiva, 1977, el sistema láser ICF más grande construido en los años setenta.

El experimento del espejo en tándem (TMX) en 1979

La fusión láser fue propuesta en 1962 por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), poco después de la invención del láser en 1960. Los experimentos de fusión por confinamiento inercial utilizando láseres comenzaron ya en 1965. En el LLNL se construyeron varios sistemas láser, entre ellos el Argus , el Cyclops , el Janus , el Long Path , el láser Shiva y el Nova . ^{[ 245 ]}

Los avances en láser incluyeron cristales triplicadores de frecuencia que transformaban haces láser infrarrojos en haces ultravioleta y la técnica de "chirp", que convertía una sola longitud de onda en un espectro completo que podía amplificarse y luego reconstituirse en una sola frecuencia. ^{[ 246 ]} La investigación en láser costó más de mil millones de dólares en la década de 1980. ^{[ 247 ]}

Los tokamaks PLT , TFTR , Tore Supra , JET , T-15 y JT-60 fueron construidos y operados en la década de 1980. ^{[ 248 ] [ 249 ] [ 250 ]} En 1984, Martin Peng de ORNL propuso el tokamak esférico con un radio mucho menor. ^{[ 251 ]} Utilizaba un único conductor grande en el centro, con imanes como semianillos de este conductor. La relación de aspecto se redujo a tan solo 1,2. ^{[ 252 ] :B247 [ 253 ] :225} La defensa de Peng captó el interés de Derek Robinson , quien construyó el Tokamak de Relación de Aspecto Pequeña y Ajustada (START). ^{[ 252 ]}

En 1991, el Experimento Preliminar de Tritio en el Joint European Torus logró la primera liberación controlada de energía de fusión del mundo. ^{[ 254 ]}

En 1993, TFTR se convirtió en el primer tokamak en realizar experimentos con mezclas significativas de deuterio y tritio. En 1994, estos experimentos dieron como resultado una descarga con una potencia de fusión récord mundial de 10,1 MW y una potencia de calentamiento por haz neutro de 39,9 MW. La relación Q es 0,26. La relación en el núcleo del plasma, Q, era aproximadamente 0,8. ^{[ 255 ]}

En 1996, Tore Supra creó un plasma durante dos minutos con una corriente de casi 1  millón de amperios, lo que supuso un total de 280 MJ de energía inyectada y extraída. ^{[ 256 ]}

En 1997, JET produjo un pico de 16,1  MW de potencia de fusión (65% de calor a plasma ^{[ 257 ]} ), con una potencia de fusión de más de 10  MW sostenida durante más de 0,5  segundos. ^{[ 258 ]}

El "encendido rápido" ^{[ 259 ] [ 260 ]} ahorró energía e impulsó a ICF a la carrera por la producción de energía.

En 2006, se completó el reactor de prueba Tokamak Superconductor Avanzado Experimental (EAST) de China . ^{[ 261 ]} Fue el primer tokamak en utilizar imanes superconductores para generar campos toroidales y poloidales.

En marzo de 2009, el ICF NIF impulsado por láser entró en funcionamiento. ^{[ 262 ]}

En la década de 2000, empresas de fusión respaldadas por el sector privado entraron en la carrera, entre ellas TAE Technologies , ^{[ 263 ]} General Fusion , ^{[ 264 ] [ 265 ]} y Tokamak Energy . ^{[ 266 ]}

La investigación pública y privada se aceleró en la década de 2010. General Fusion desarrolló tecnología de inyectores de plasma y Tri Alpha Energy probó su dispositivo C-2U. ^{[ 267 ]} El Laser Mégajoule francés comenzó a operar. NIF logró una ganancia neta de energía ^{[ 268 ]} en 2013, definida en un sentido muy limitado como el punto caliente en el núcleo del blanco colapsado, en lugar de todo el blanco. ^{[ 269 ]}

En 2014, Phoenix Nuclear Labs vendió un generador de neutrones de alto rendimiento que podía mantener 5×10 ^{11 reacciones de fusión} de deuterio por segundo durante un período de 24 horas. ^{[ 270 ]}

En 2015, el MIT anunció un tokamak al que denominó reactor de fusión ARC , que utilizaba cintas superconductoras de óxido de cobre y bario de tierras raras (REBCO) para producir bobinas de alto campo magnético que, según afirmaba, podían producir una fuerza de campo magnético comparable en una configuración más pequeña que otros diseños. ^{[ 271 ]}

En octubre, investigadores del Instituto Max Planck de Física de Plasmas en Greifswald, Alemania, completaron la construcción del estelarador más grande hasta la fecha, el Wendelstein 7-X (W7-X). El estelarador W7-X comenzó la fase operativa 1 (OP1.1) el 10 de diciembre de 2015, produciendo con éxito plasma de helio. ^{[ 272 ]} El objetivo era probar sistemas vitales y comprender la física de la máquina. Para febrero de 2016, se logró plasma de hidrógeno, con temperaturas que alcanzaron hasta 100 millones de Kelvin. Las pruebas iniciales utilizaron cinco limitadores de grafito. Después de más de 2000 pulsos y de alcanzar hitos significativos, la OP1.1 concluyó el 10 de marzo de 2016. Posteriormente se realizó una actualización, y la OP1.2 en 2017 tuvo como objetivo probar un divertor sin refrigeración. Para junio de 2018, se alcanzaron temperaturas récord. W7-X concluyó sus primeras campañas con pruebas de limitador y divertor de isla, logrando avances notables a finales de 2018. ^{[ 273 ] [ 274 ] [ 275 ]} Pronto produjo plasmas de helio e hidrógeno que duraron hasta 30 minutos. ^{[ 276 ]}

El ST40 de Tokamak Energy del Reino Unido generó el "primer plasma". ^{[ 277 ]} Al año siguiente, Eni anunció una  inversión de 50 millones de dólares en Commonwealth Fusion Systems para intentar comercializar la tecnología ARC del MIT . ^{[ 278 ] [ 279 ] [ 280 ] [ 281 ]}

En enero de 2021, SuperOx anunció la comercialización de un nuevo cable superconductor con una capacidad de corriente de más de 700 A/ ^mm² . ^{[ 282 ]}

TAE Technologies anunció los resultados de su dispositivo Norman, que mantiene una temperatura de aproximadamente 60  MK durante 30 milisegundos, 8 y 10 veces más alta, respectivamente, que los dispositivos anteriores de la compañía. ^{[ 283 ]}

En octubre, First Light Fusion, con sede en Oxford, reveló su proyecto de fusión por proyectil, que dispara un disco de aluminio contra un blanco de fusión, acelerado por un pulso eléctrico de 9 megaamperios, alcanzando velocidades de 20 kilómetros por segundo (12 mi/s) . La fusión resultante genera neutrones cuya energía se captura en forma de calor. ^{[ 284 ]} 

El 8 de noviembre, en una charla invitada a la 63.ª Reunión Anual de la División de Física de Plasmas de la APS, ^{[ 285 ]} la Instalación Nacional de Ignición afirmó ^{[ 286 ]} haber desencadenado la ignición de fusión en el laboratorio el 8 de agosto de 2021, por primera vez en los más de 60 años de historia del programa ICF. ^{[ 287 ] [ 288 ]} El disparo produjo 1,3 MJ de energía de fusión, una mejora de más de 8 veces con respecto a las pruebas realizadas en la primavera de 2021. ^{[ 286 ]} NIF estima que 230  kJ de energía llegaron a la cápsula de combustible, lo que resultó en una producción de energía de casi 6 veces mayor de la cápsula. ^{[ 286 ]} Un investigador del Imperial College de Londres afirmó que la mayoría del campo coincidía en que se había demostrado la ignición. ^{[ 286 ]}

En noviembre de 2021, Helion Energy informó haber recibido 500 millones de dólares en financiación de Serie E para su dispositivo Polaris de séptima generación, diseñado para demostrar la producción neta de electricidad, con 1700  millones de dólares adicionales en compromisos vinculados a hitos específicos, ^{[ 289 ]} mientras que Commonwealth Fusion Systems recaudó 1800 millones de dólares adicionales  en financiación de Serie B para construir y operar su tokamak SPARC , la mayor inversión individual en cualquier empresa privada de fusión. ^{[ 290 ]}

En abril de 2022, First Light anunció que su prototipo de fusión por proyectil hipersónico había producido neutrones compatibles con la fusión. Su técnica consiste en disparar proyectiles electromagnéticamente a Mach 19 contra una pastilla de combustible enjaulada. El combustible de deuterio se comprime a Mach 204, alcanzando niveles de presión de 100 TPa. ^{[ 291 ]}

El 13 de diciembre de 2022, el Departamento de Energía de EE. UU. informó que los investigadores de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) habían logrado una ganancia neta de energía a partir de una reacción de fusión. La reacción del combustible de hidrógeno en la instalación produjo aproximadamente 3,15 MJ de energía, consumiendo 2,05 MJ de entrada. Sin embargo, si bien las reacciones de fusión pudieron haber producido más de 3 megajulios de energía —más de la que se suministró al objetivo—, los 192 láseres de la NIF consumieron 322 MJ de energía de la red en el proceso de conversión. ^{[ 292 ] [ 293 ] [ 294 ] [ 295 ]}

En mayo de 2023, el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) otorgó una subvención de 46 millones de dólares a ocho empresas de siete estados para apoyar el diseño y la investigación de centrales de fusión nuclear. Esta financiación, en el marco del Programa de Desarrollo de Fusión Basado en Hitos, se alinea con los objetivos de demostrar la fusión a escala piloto en el plazo de una década y desarrollar la fusión como fuente de energía neutra en carbono para 2050. Las empresas beneficiarias tienen la tarea de abordar los desafíos científicos y técnicos necesarios para crear diseños viables de centrales piloto de fusión en los próximos 5 a 10 años. Entre las empresas beneficiarias se encuentran Commonwealth Fusion Systems , Focused Energy Inc., Princeton Stellarators Inc., Realta Fusion Inc., Tokamak Energy Inc., Type One Energy Group, Xcimer Energy Inc. y Zap Energy Inc. ^{[ 296 ]}

En diciembre de 2023, se inauguró en Naka , Japón, el tokamak más grande y avanzado, el JT-60SA . Este reactor es un proyecto conjunto entre Japón y la Unión Europea. El reactor generó su primer plasma en octubre de 2023. ^{[ 297 ]} Posteriormente, el proyecto de reactor de fusión de Corea del Sur, el Korean Superconducting Tokamak Advanced Research , operó con éxito durante 102 segundos en modo de alta contención (modo H), con temperaturas iónicas superiores a 100 millones de grados, en pruebas de plasma realizadas entre diciembre de 2023 y febrero de 2024. ^{[ 298 ]}

En enero de 2025, se informó que el reactor de fusión EAST en China mantuvo una operación de plasma de alto confinamiento en estado estacionario durante 1066 segundos (casi 18 minutos). ^{[ 299 ]} En febrero de 2025, la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA) anunció que su tokamak WEST había mantenido un plasma estable durante 1337 segundos, más de 22 minutos. ^{[ 300 ]} En marzo , Energy Singularity anunció que un imán que produce un campo magnético de 21,7 T. ^{[ 301 ]}

En 2026, EAST anunció que había superado el límite de densidad de plasma de Greenwald. El experimento fue pionero en la autoorganización de la pared del plasma, el calentamiento por resonancia ciclotrónica de electrones (arranque óhmico), la gestión de la presión inicial del gas combustible, la reducción activa de la pulverización catódica de impurezas en los límites y la contaminación de las paredes del reactor. El plasma entró en un régimen libre de densidad donde una mayor densidad no incrementó la inestabilidad. ^{[ 302 ]}