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¿Qué significa esto para la fusión nuclear?

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El proyecto líder en el mundo para demostrar Viabilidad de la energía de fusión. La Agencia Internacional de Energía Atómica anunció un aplazamiento de cuatro años de sus principales pruebas, retrasándolas hasta 2039, con un coste de más de 5.000 millones de dólares. Ahora parece que es poco probable que el experimento del ITER, patrocinado por gobiernos de todo el mundo, sea la primera instalación de este tipo en lograr una hazaña conocida como ganancia neta: crear más energía a partir de una reacción de la que se pone directamente en ella. Pero los físicos dicen que el proyecto sigue siendo esencial para sentar las bases de la industria de la fusión nuclear del futuro.

“El retraso parece dramático, pero dentro de las comunidades físicas no creo que tenga mucho impacto”, dice Rachel McDermott, física del plasma en el Instituto Max Planck de Física del Plasma en Garching, Alemania. “El proyecto ITER seguirá siendo extremadamente relevante e importante, independientemente de cuándo se lance”, añade.

Pero convencer a los financiadores de esto puede resultar difícil. El proyecto, que comenzó a construirse cerca de Saint-Paul-les-Durance en Francia en 2010, originalmente estaba previsto que estuviera operativo en 2016 y realizara los primeros experimentos para validar la energía de fusión nuclear en 2020. Los financiadores ya han comprometido alrededor de 22 mil millones de dólares para el proyecto. proyecto, incluyendo aportes de bienes y servicios. Ahora las empresas privadas de fusión nuclear dicen que esperan alcanzar los objetivos del proyecto antes de que el experimento público esté en marcha.

Parte del valor del proyecto ITER reside en su capacidad para compartir su experiencia con empresas privadas. Una ventaja de este retraso puede ser que empuja al proyecto ITER a involucrarse más con la industria, dice Melanie Windridge, física del plasma y directora ejecutiva de Fusion Energy Insights, una empresa de Londres que sigue los avances en la energía de fusión. “Esto obliga al ITER a decir que no puede conservar todo este conocimiento hasta el final del proyecto, porque hay empresas emergentes privadas que lo necesitan ahora”, añade.

El proyecto ITER también desempeña un papel importante en el establecimiento de cadenas de suministro e industrias de fusión en sus países miembros, añade. “No deberíamos vernos como nosotros y ellos”, afirma. “Todos aspiramos a alcanzar los mismos objetivos”.

Fuente de alimentación aplicable

Los experimentos de fusión como ITER tienen como objetivo aprovechar el fenómeno que alimenta el Sol, cuya energía proviene de la fusión de átomos de hidrógeno. Repetir este proceso en la Tierra puede conducir a… Proporcionar una fuente casi inagotable de energía limpiaPero es difícil crear las condiciones apropiadas para la integración y cosechar sus resultados.

En 2022, los científicos de la Instalación Nacional de Ignición de EE. UU. en Livermore, California, lograron crear un “plasma ardiente”, donde la fusión se alimenta del calor generado por la reacción en lugar de fuentes externas. Y así se convirtió El primero en lograr ganancias netas.Este proyecto pretende generar más energía a partir de la fusión que la utilizada para iniciar la reacción. Este proyecto logró utilizar láseres, una tecnología diferente a la utilizada en el proyecto ITER. Pero nadie ha logrado todavía lograr uno de los principales objetivos del proyecto ITER: crear un plasma de combustión duradera que produzca diez veces el calor de la inyección directa, lo que se considera ampliamente como una prueba de que la fusión podría convertirse en una fuente de energía viable. .

El retraso en la implementación del proyecto -una empresa conjunta entre China, la Unión Europea, India, Japón, Rusia, Corea del Sur y Estados Unidos- no era ningún secreto. A lo largo de las décadas, el proyecto ha estado plagado de una serie de retrasos, sobrecostos y problemas de gestión. En 2014, el director general saliente del proyecto, Osamu Motojima, dijo: naturaleza Cual El proyecto ITER no sobrevivirá si se pospone su fecha de inicio a 2025Por no hablar del año 2034.

La pandemia de COVID-19 ha obstaculizado la colaboración, y el desgaste de las piezas y las inconsistencias entre los componentes han requerido reparaciones importantes de los equipos. “No creo que nadie esperara que todo saliera tan bien, pero no estoy seguro de que esperáramos las inconsistencias”, dice McDermott.

Investigación rápida

Actual Director General del ITER, Pietro Barabaschi, nombrado en 2022Barabaski presentó detalles del cronograma actualizado en una reunión de la junta de toma de decisiones del proyecto el 20 de junio e informó a los periodistas el 3 de julio. Barabaski describió el retraso como una oportunidad para reorganizar los planes del proyecto ITER a la luz de los recientes acontecimientos en el campo de la energía de fusión. La operación inicial del proyecto se pospondrá nueve años, de 2025 a 2034. Pero el plan ahora es saltarse una fase inicial “bastante simbólica” y llegar “lo más rápido posible a una investigación real”, afirmó.

Esto significa utilizar una máquina más completa desde el principio. El tokamak del ITER, que utiliza imanes para comprimir plasma supercaliente de isótopos de hidrógeno en una forma circular, alcanzará su máxima potencia en 2036, sólo tres años más tarde de lo previsto. El pleno funcionamiento del reactor se ha retrasado cuatro años, de 2035 a 2039, cuando utilizará formas pesadas de hidrógeno, deuterio y uranio. Tritio radiactivo como combustible.Los nuevos planes incluyen el uso de un nuevo material, el tungsteno, en la construcción del muro frente a la fusión, porque se corroe menos rápidamente que el material de berilio que se planeó originalmente.

Pero el calendario revisado costaría alrededor de 5.000 millones de euros adicionales (5.400 millones de dólares), financiación que los estados miembros aún tienen que confirmar. Cuando se le preguntó cómo reaccionarían los financieros, Barabaski dijo: “Tendremos que esperar y ver”. Y añadió: “Mi impresión personal es que este proyecto cuenta con un apoyo muy fuerte por parte de los Estados miembros”.

Es probable que Estados Unidos, al menos, pueda cumplir sus compromisos con ITER, gracias a que el Departamento de Energía agregó una contingencia del 50% a su presupuesto en 2018, dice Carlos Paz Soldán, físico de plasma de la Universidad de Columbia en Nueva York.

Pago especial

Es probable que ahora los esfuerzos privados de fusión logren muchos de los hitos técnicos que se habían logrado anteriormente, dice Brandon Sorbohm, investigador en el campo de los imanes superconductores y cofundador de Commonwealth Fusion Systems (CFS), una subsidiaria del Instituto de Massachusetts de Technology (MIT) en Cambridge El proyecto ITER debería llegar primero a ella gracias a las inversiones y a los avances en física y ciencia de materiales.

Las empresas privadas, que han atraído inversiones por valor de 1.400 millones de dólares a nivel mundial en 2023, son optimistas sobre sus planes. En una encuesta realizada en 2023, el 65% de las empresas esperaba que la planta de fusión suministrara electricidad a la red en 2035. Pero Barabaski se muestra escéptico al respecto. Incluso si se demostrara que la fusión es factible hoy, dijo, “no creo que estemos en condiciones de implementarla comercialmente para 2040. Hay una gran brecha entre probar un proceso, por ejemplo, y implementarlo y hacerlo comercialmente viable”. “.

McDermott cree que el reactor SPARC (una versión compacta de la tecnología tokamak que están construyendo el MIT y el Centro de Investigación de Fusión Nuclear en Devens, Massachusetts) probablemente sea el proyecto que supere al ITER en términos de ganancia neta. Pero los científicos de la fusión nuclear también afirman que el ITER, como experimento, está diseñado para hacer cosas que las empresas comerciales no pueden hacer. Muchos aspectos de la física de la fusión nuclear dependen del tamaño, y las enormes dimensiones del ITER lo convierten en un banco de pruebas único para la física a escala de planta, afirma McDermott. ITER también brindará a los físicos la primera oportunidad de estudiar cómo grandes cantidades de núcleos de helio de rápido movimiento, generados por reacciones de fusión nuclear, interactúan durante largos períodos de tiempo para crear plasma en llamas.

Problemas futuros

La investigación del ITER también pretende resolver los problemas que algún día enfrentarán las centrales nucleares de fusión, pero muchas empresas privadas aún no se han tomado en serio estos problemas, afirma McDermott. Estos problemas incluyen probar formas de utilizar neutrones de fusión para producir más combustible de tritio, un recurso escaso, y estudiar cómo se deterioran los materiales en condiciones extremas dentro del reactor. En última instancia, el objetivo del ITER es generar diez veces más energía durante la fusión que la que se utiliza para calentar el plasma, pero no hay ningún plan para que el ITER utilice esta energía para generar electricidad, y los cálculos de ganancia neta sólo incluyen el calor directo, ningún otro. Fuentes de energía utilizadas en el experimento.

Windridge afirma que el proyecto ITER se ha vuelto más abierto a compartir con las empresas los conocimientos adquiridos mediante investigaciones financiadas con fondos públicos. El primer taller público y privado del proyecto en mayo estuvo más concurrido de lo que esperaban los organizadores. “Esta es una prueba de lo importante que es el trabajo del Proyecto ITER”, afirma.

Paz Soldán dice que si una empresa privada logra producir plasma quemado de manera sostenible y a un costo muy bajo en comparación con el tamaño, el costo y la complejidad del proyecto ITER, esto puede cambiar el compromiso de los financiadores con el proyecto ITER. “Creo que la propuesta de valor del proyecto ITER requeriría una reevaluación si esto sucediera”, añade, “pero no creo que ahora sea el momento de tener esa conversación”.

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¿Por qué el futuro de la inteligencia artificial es nuclear?

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La inteligencia artificial y sus subconjuntos, como el aprendizaje automático, están impulsando las últimas tecnologías como Mejor Máster en Derecho Y creando demandas de energía que la infraestructura existente tal vez no pueda satisfacer.

De acuerdo con la Agencia Internacional de EnergíaEl consumo de electricidad de los centros de datos podría duplicarse para 2026. En 2022, los centros de datos consumieron aproximadamente 460 teravatios hora y se espera que alcance los 1000 teravatios hora en los próximos dos años. Esto equivale al consumo total de energía eléctrica de Japón.

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Godzilla y Bob Esponja provienen de la misma prueba nuclear real

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El origen, la causa y el canon de Godzilla han cambiado varias veces en los últimos 70 años, pero Gojira de Ishirō Honda fue creado en 1954 como resultado directo de las pruebas de bombas nucleares de Estados Unidos en el atolón Bikini. Godzilla fue una criatura mutada después, y su destrucción fue un reflejo de la devastación causada por los bombardeos atómicos estadounidenses de Hiroshima y Nagasaki. La película japonesa más reciente de “Godzilla” (a diferencia de la película estadounidense MonsterVerse), “Godzilla Mins One”, no sólo es la única película de “Godzilla” en ganar un Oscar, sino que también es una de las únicas películas de “Godzilla”. para ganar un Oscar. Las mejores películas de Godzilla de todos los tiempos.. La película tiene lugar inmediatamente después de la guerra, con Japón todavía recuperándose de los bombardeos, y ahora también tienen que lidiar con este monstruo radiactivo. Varias películas de “Godzilla” han presentado imágenes en vivo o recreadas digitalmente de la prueba nuclear real, incluida “Minus One”.

Asimismo, “Bob Esponja” hizo lo mismo. Uno de los ejemplos más memorables es el episodio “Dying for Pie”, donde Calamardo cree que Bob Esponja se comió accidentalmente un pastel lleno de una bomba, pero cuando se revela que Bob Esponja no se comió el pastel, tropieza y deja caer el pastel, que explota. todos. Desde la parte inferior del bikini y el agua arriba. Al igual que esta escena, los episodios de “Bob Esponja” muestran una explosión submarina de dibujos animados antes de pasar a imágenes en vivo de las pruebas de la bomba Baker en el atolón Bikini. Quizás en una parte oscuramente cómica de la historia revisionista, fue Bob Esponja quien dio a luz a Godzilla, no la fuerza atómica. Después de todo, Godzilla es un ser primordial que existe en las afueras de Fondo de Bikini.

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Physicists move closer to an ultra-precise ‘nuclear’ clock

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A Strontium optical clock pictured at the National Physical Laboratory in Teddington, UK.

In principle, a nuclear clock should be more precise and more stable than an optical clock (pictured).Credit: Andrew Brookes, National Physical Laboratory/Science Photo Library

Scientists have taken a major leap towards making an entirely new type of clock — one based on tiny shifts in energy in an atomic nucleus. In principle, a nuclear clock could be even more precise than the world’s current best timekeepers, known as optical clocks, and less sensitive to disturbances.

A nuclear timekeeper could also allow physicists to study fundamental forces of nature in new ways. “We will be able to probe scenarios of dark matter and of fundamental physics that are currently inaccessible to other methods,” says Elina Fuchs, a theoretical physicist at CERN, Europe’s particle-physics laboratory outside Geneva, Switzerland.

The long-sought breakthrough — made by a collaboration between the Vienna University of Technology and Germany’s national metrology institute, the PTB, in Braunschweig — involved using an ultraviolet laser to prompt a nucleus of the radioactive metal thorium-229 to switch between energy states. The frequency of light absorbed and emitted by the nucleus functions as the clock’s tick. The researchers published their work in Physical Review Letters on 29 April1.

“This is major,” says Adriana Pálffy-Buß, a theoretical physicist at the University of Würzburg in Germany. Driving the transition with a laser is “the milestone you need to say ‘I’ll be able to build a clock’”.“It is a culmination of nearly a half a century of effort of many scientific groups,” says Olga Kocharovskaya, a physicist at Texas A&M University in College Station.

Precision timing

Optical clocks keep time so well that they waver by just 1 second every roughly 30 billion years. Their ticks are governed by the frequency of the visible light needed to shift an electron orbiting an atom such as strontium between energy states.

But a nuclear clock could do even better. It would use the more energetic transition of boosting the nucleus’s protons and neutrons to a higher energy state. This would use slightly higher frequency radiation, meaning that time could be sliced even more finely to create a more precise clock. More importantly, such a clock would be much more stable than an optical clock, because particles in the nucleus are less sensitive than electrons to external fields or temperature.

But finding a material with a suitable nucleus has proved difficult. Energy transitions in most nuclei tend to be huge, requiring much more than the nudge of a tabletop laser. In the 1970s, physicists discovered that thorium-229 is an anomaly — its first energy state is extremely close to its lowest, ground state. And in 2003, physicists proposed using thorium-229 as the basis of a super-stable clock, but they needed to find the precise energy of the transition and its corresponding laser frequency, which would have been impossible to predict with any accuracy using theory. Since then, experimentalists have used range of methods to narrow down the figures.

To observe the transition, researchers placed radioactive thorium atoms into crystals of calcium fluoride that were a few millimetres wide. Scanning across the expected region with a purpose-built laser, they eventually hit upon the right frequency — around 2 petahertz (1015 oscillations per second) — which they detected by spotting the photons emitted as the nuclei returned to the lower energy state. Co-author Thorsten Schumm, an atomic physicist at the Vienna University of Technology, recalls scrawling “found it” in large red letters across his lab book at a meeting convened the next day to discuss the promising-looking signal. “It was crystal clear,” he says.

The team pinpointed the frequency with a resolution 800 times better that the next best attempt. A team at the University of California, Los Angeles, has since reproduced the result using a different crystal, but the same frequency, says co-author Ekkehard Peik, a physicist at PTB. It’s “a very nice confirmation”, he says.

Fundamental physics boost

To turn the system into an actual clock, physicists will need to markedly reduce the resolution of the laser, so that it stimulates the nucleus at almost exactly the right frequency to be read off reliably, says Peik. Building such a laser “remains a big challenge, but there are little doubts that it will be achievable in the near future”, adds Kocharovskaya.

If all goes well, the team says that a thorium-based nuclear clock could end up being around 10 times more accurate than the best optical clocks. “It’s the robustness with respect to external perturbations that will make this a better clock,” says Schumm. Hosting the nuclei in a solid crystal could also help to make the clock more compact and portable than optical systems.

Scientific methods that were made possible by super precise optical clocks, such as probing Earth’s gravitational field by measuring differences in clock speed, “could get a major boost”, says Kocharovskaya.

Physics could also benefit at a deeper level. A nuclear clock would be around 10,000 times more sensitive to changes in fundamental constants — such as the strength of the electromagnetic and strong nuclear forces — than an optical clock is, says Fuchs. This means that they could detect proposed forms of dark matter, an invisible substance that physicists think accounts for 85% of material in the Universe, and which are predicted to make minuscule changes in the strength of these forces.

“It could be that there’s very ‘light’ dark matter that wiggles around and that could make these fundamental constants wiggle,” says Fuchs. Nuclear clocks might be able to detect that wiggle, she says, because the energy of their transition is governed by these forces, and any change in their strength would alter the clock’s tick in a measurable way. Nuclear clocks could also detect whether some particle masses change over time, she adds. Fuchs and her collaborators are already working on their first paper, on the basis of the frequency measurement. “This is exciting us quite a lot,” she says.

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Argentina’s pioneering nuclear research threatened by huge budget cuts

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A drone view shows the Argentine Modular Elements Power Plant (CAREM), which is the small modular reactor (SMR) project at the most advanced stage of construction worldwide in Argentina, in 2023.

Construction of the small modular reactor CAREM, shown here in 2023 on the outskirts of Buenos Aires, in Argentina, has been paused owing to funding constraints.Credit: CNEA/Reuters

Owing to massive budget cuts and lay-offs of government employees, Argentina’s nuclear sector — which includes power plants and research facilities — is at risk, scientists say. The country was the first in Latin America to adopt nuclear energy, has three operating plants that provide about 5–10% of the nation’s electrical energy and runs numerous reactors used for research.

But because Argentina’s current administration, led by far-right president Javier Milei, has held the federal budget flat compared with that in 2023, the sector is facing a financial crisis. Inflation reached more than 200% last year — meaning that, in real terms, a stagnant budget is equivalent to a funding drop of at least a 50%. Milei, who took office in December after pledging to diminish the role of government in Argentina and bring the country’s debts under control, has also laid off 15,000 federal employees in the past five months.

With its current budget, the National Atomic Energy Commission (CNEA) will be able to carry out its activities only “until May or June”, according to a statement published in March and signed by the agency’s leaders. The CNEA has been operating since 1950; it sets the country’s nuclear policy and carries out research to improve “the quality of life for society”, among other responsibilities.

“All these [activities] could be in danger,” Adriana Serquis, former head of the CNEA, tells Nature. On Friday, the Milei administration at last accepted Serquis’s resignation, which she had submitted before the president took office in December.

Portrait of Adriana Serquis at her desk, taking notes in front of a computer.

Adriana Serquis was replaced as head of Argentina’s National Atomic Energy Commission last week.Credit: Karl Mancini

“We cannot operate with this budget,” she says. The agency has taken out loans with private firms in the past few months to keep working, she adds. CNEA authorities stressed to the Milei administration that the agency would need a 2024 budget of US$270 million to operate at a minimal level. The government guaranteed the CNEA only $100 million.

Milei has made moves towards at least partially privatizing Argentina’s nuclear sector. Yesterday, he appointed Germán Guido Lavalle, founder of candoit, an engineering and technology consulting firm based in Buenos Aires, to lead the CNEA — a move that aligns with that push.

The agency has had to pause construction on two projects that could have brought even more renown to Argentina’s nuclear sector: one is a ‘small modular reactor’ prototype that is among the first in the world to be built for electricity generation, and the other is a research reactor that might have produced enough of the radioisotope molybdenum-99, commonly used in medical diagnostic imaging, to meet 20% of global demand.

If this continues, Serquis says, “Argentina will lose its place in the ‘nuclear club’” — referring to the country’s prowess in nuclear research, a global status it has maintained among wealthy nations.

Projects stagnate

One of the stalled nuclear projects is the small modular reactor CAREM, intended to supply low-carbon electricity to rural areas where large power plants can’t be built. Nuclear scientists have been working for decades to create this type of reactor, and countries, including Argentina, have been in a race to get theirs fired up quickly. CAREM, a prototype, would use uranium fission to supply around 30 megawatts of electrical power. If successful, it could be scaled up to larger, commercial versions supplying 300 megawatts of electric power. More than $600 million has been invested into CAREM since construction began in 2014, but another $200 million to $300 million is needed to finish it.

“It has less electrical production capacity than a nuclear power plant, but it’s also cheaper and safer,” says Tomás Avallone, a chemist and nuclear-reactors operator at the CNEA. It could be installed anywhere, be used for high-energy-consumption activities such as water desalinization and bring power to 300,000 people, he says.

Another stagnating project is RA-10, a 30-megawatt reactor that would use neutron beams to produce medical radioisotopes. Scientists could also use RA-10 to conduct materials research. “It is a multipurpose reactor,” says Rodolfo Kempf, nuclear-waste manager at the CNEA. The main construction on RA-10 has been completed, Kempf says, but its instruments haven’t been installed.

Argentina has so far invested more than $400 million in building the reactor, and another $80 million is needed. The commercial sale of the reactor design should provide a significant return on investment, say researchers who spoke to Nature.

Privatization push

The Milei administration has been advocating for the privatization of science and education in Argentina. In April, it sent a bill to Congress that includes a list of state companies to be fully or partially privatized. Nucleoeléctrica Argentina, a state-run firm based in Buenos Aires that oversees the country’s three nuclear plants, is on the list to be partially privatized. If this comes to pass, the government would maintain the majority of Nucleoeléctrica shares, and its vote would be needed for actions including expanding the capacity of a power plant, building a new one or adding shareholders to the company.

Alfredo Caro, a nuclear physicist and former director of the CNEA’s Bariloche Atomic Centre, estimates that a 30% stake in Nucleoeléctrica would be worth between $700 million and $1 billion. If that stake were sold, it might allow the government to finalize the construction of CAREM and RA-10, as well as to complete a planned upgrade of the Atucha I power plant, located about 120 kilometres northwest of Buenos Aires, to extend its lifetime, he says. “A partial privatization could help the sector carry on,” Caro says, “but only if the funds that are raised remain in the sector and are not spent on other areas of the state” — a big ‘if’, given the financial crisis in Argentina. The country’s gross domestic product is expected to drop 3.3% this year, according to the Organization for Economic Co-operation and Development.

Officials at Argentina’s Secretariat of Energy and Nucleoeléctrica didn’t respond to questions from Nature about their plans for the nuclear sector. Meanwhile, the bill to privatize state companies has been approved by the lower chamber of Argentina’s Congress, and will now be considered by the Senate.

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