Fusion energy – is it the power gift we wanted for the new year?

Experts weigh in on what last month’s landmark accomplishment in fusion energy could mean for the future of our energy needs. Iowa researchers were part of a team of scientists who, for the first time, engineered a reaction that produced more power than was used to ignite it.

Resumen en español: Los expertos opinan sobre lo que podría significar el logro histórico de el mes pasado en energía de fusión para el futuro de nuestras necesidades energéticas. Los investigadores de Iowa formaron parte de un equipo de científicos que, por primera vez, diseñaron una reacción que produjo más energía de la que se utilizó para encenderla.

Last month, scientists at the National Ignition Facility reached the milestone of net energy gain with their fusion technology work, meaning nuclear fusion could become a viable source of energy. This comes as local community action agencies in Iowa and Minnesota are processing record numbers of energy assistance applications in the face of recurring winter storms and patterns of extremely cold air temperatures and windchills.

The E’ville Good had the opportunity to learn more about the latest findings from several scientists working on the project, including two from the University of Iowa.

But first, if your heating bill is to the point it’s not affordable, Iowa residents may be eligible for a program called LIHEAP, which assists in paying a portion of the heating bill for qualified Iowa households. Bill Marquess of the Iowa energy assistance bureau said LIHEAP is still using money from extra funds they received last year through federal pandemic relief.

“During the pandemic, we were able to offer up to $3,000 to assist with a crisis. And now we’re maxed at 500 on that. That’s a significant difference,” Marquess told reporters. Last year, applications broke records with 90,000 Iowans applying for LIHEAP and about 83,000 receiving assistance. Marquess said so far this year, the program has about half the amount of applications they did at the end of the season last year. Residents of the Iowa Lakes counties of Emmet, Dickinson, Kossuth, Palo Alto and Clay would apply at the local Upper Des Moines offices. The community action agencies in each community administer the LIHEAP funding.

Back to fusion science

There are two milestones in bringing the promise of nuclear fusion to popular use in utility energy, according to Ricardo Betti, PhD. Dr. Betti works in the department of mechanical engineering and physics & astronomy, University of Rochester (NY). The first milestone: “…for the first time in the history of nuclear fusion research, the energy input to the fusion reactions was less than the energy output. So the energy output was greater, and, therefore, there was a net energy gain, Dr. Betti said.

Dr. Ricardo Betti

“The second milestone is that for the first time in the history of this field, a hydrogen fuel was ignited at the nuclear level, so that is also something that—it happened before in hydrogen bombs, it happened in stars—but never happened in a controlled fashion in the laboratory.” 

One way scientists have tried to develop nuclear fusion involves what’s called a tokamak — a doughnut-shaped vacuum chamber that uses powerful magnets to turn fuel into a superheated plasma (between 150 million and 300 million degrees Celsius). Image thanks to DeepMind

“…it happened before in hydrogen bombs, it happened in stars—but never happened in a controlled fashion in the laboratory.” 

Dr. Ricardo Betti

“The most important takeaway from the recent achievement of the National Ignition Facility is that they definitively created fusion ignition in the laboratory for the first time. So the laser energy on the target was 2 megajoules, or 2 million joules. And the energy released from the experiment was 3 million joules,” said Carolyn Kuranz, PhD, a professor of nuclear engineering and radiological sciences at University of Michigan.

While scaling the technology and developing it so it can be used reliably will require dozens of additional years and dozens more breakthroughs, the two milestones that happened in the past few weeks are major steps to making it happen. Dr. Kuranz said working with nuclear fusion is different from working with other types of energy.

“The nuclear fusion energy is different from the renewables that we think of like solar and wind and hydropower, in that while the fuel is naturally abundant—it occurs actually naturally in the ocean, and there is a significant amount of it. It is different, but it still is a zero-carbon energy source. So that is what we really need to focus on if we’re going to make an impact on climate change.

“Now, in order to get fusion energy to the power grid, there are certainly a lot of challenges going forward. This was a scientific achievement. But in order to get fusion energy on the power grid, we’re going to need to make advancements in laser technologies, in our target and fuel technologies. For example, the National Ignition Facility did this experiment maybe one per day. But we would need to have a laser and the fuel being rapidly inserted many times a minute or even many times a second. So we’d need to develop that technology, and also going into a demonstration power plant before it gets to the power grid,” Dr. Kuranz said

Dr. Carolyn Kuranz

“But now we can start to answer those questions—or even ask those questions of what is needed since this achievement was made,” Dr. Kuranz said.

Now to the Iowa connection

Two University of Iowa physicists have been involved in the future of fusion science. Scott Baalrud, associate professor of Physics and Astronomy, is co-chair of a committee that has outlined a 10-year vision for fusion energy and plasma physics research. FESAC, the Fusion Energy Sciences Advisory Committee is reviewing it with the goal of giving advice to the U.S. Department of Energy — specifically to its Office of Fusion Energy Sciences.

Why is this important?

If fusion energy can be captured for widespread delivery, it could produce almost limitless carbon-free energy to produce electricity for all without raising global temperatures and worsening climate change. What do scientists mean by “nearly limitless”? It could be delivered at low cost, with only the delivery conduits and the initial infrastructure presenting any major costs while the energy itself could pass almost freely. This could be a potential bonus for households and small businesses struggling to pay their energy bill, but also possibly less of an advantage for energy corporations. The ability to deliver the technology is still decades away; by then the balance of saving the world and market forces might achieve a greater balance.

Scientists have been working on nuclear fusion for 100 years, almost, and have been trying to duplicate the process on earth that long.

“Of course, now people are thinking, well, how do we go to 10 times more or 100 times more? There’s always some next step,” Kuranz said. “But I think that’s a clear line of, yes, we have achieved ignition in the laboratory.”

Dr. Carolyn Kuranz

These fusion reactions are not new. They’ve been powering the light we see from the sun and stars for a very long time. The reaction happens, according to researchers, when two light nuclei merge to form a single nucleus. Because the total mass of that single nucleus is less than the mass of the two original nuclei, the leftover mass is energy that is released in the process. Visualize the sun coming in with its heat of millions of degrees Celsius, exerting pressure from its gravity that allows atoms that would otherwise repel each other to instead fuse.

Dr. Baalrud, the other University of Iowa researcher, said his committee in cooperation with the American Physical Society plans to develop a pilot fusion plant in the United States in the 2040s.

“It identifies what the remaining technological and scientific challenges are and how we can address them in that time frame,” Baalrud said. “It means the fusion energy community wants to build a fusion energy plant, and those scientists want to fill in the gaps to make that possible in the next 10 to 20 years.”

Some of that research could take place right here in Iowa, according to Dr. Fred Skiff, professor in the Iowa Dept. of Physics and Astronomy.

“This is great for our reputation as a department and as a university. In the future, when we go to hire top talent in plasma physics, Iowa will be on the radar of the best candidates,” Dr. Skiff said. Skiff is a member of FESAC, and will have an important voice in the direction of this research. Dr. Skiff said, “Sometimes it is easy to become jaded about people in government service, but my experience in Washington has been that we do have many dedicated public servants, and I am glad to have a chance to help them.  For this task especially, we are serving the next generation.”

Dr. Kuranz said, “The next steps for fusion science I think remains to be determined. I think there’s going to be a lot of work understanding what went into this recent experiment and repeating the conditions of the fusion reaction. I think longer term we need to see what sort of interest and resources are put into fusion energy for energy production, from both the federal government and private industry.” 

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Energía de fusión: ¿es el regalo energético que queríamos para el nuevo año?

Los expertos opinan sobre lo que podría significar el logro histórico de el mes pasado en energía de fusión para el futuro de nuestras necesidades energéticas. Los investigadores de Iowa formaron parte de un equipo de científicos que, por primera vez, diseñaron una reacción que produjo más energía de la que se utilizó para encenderla.

El mes pasado, los científicos de la Instalación Nacional de Ignición alcanzaron el hito de la ganancia neta de energía con su trabajo de tecnología de fusión, lo que significa que la fusión nuclear podría convertirse en una fuente viable de energía. Esto se produce cuando las agencias de acción comunitaria locales en Iowa y Minnesota están procesando un número récord de solicitudes de asistencia energética ante las recurrentes tormentas invernales y patrones de temperaturas del aire extremadamente frías y vientos helados.

El E’ville Good tuvo la oportunidad de obtener más información sobre los últimos hallazgos de varios científicos que trabajan en el proyecto, incluidos dos de la Universidad de Iowa.

Pero primero, si su factura de calefacción llega al punto de que no es asequible, los residentes de Iowa pueden ser elegibles para un programa llamado LIHEAP, que ayuda a pagar una parte de la factura de calefacción para los hogares calificados de Iowa. Bill Marquess, de la oficina de asistencia energética de Iowa, dijo que LIHEAP todavía está usando dinero de los fondos adicionales que recibió el año pasado a través del alivio pandémico federal.

“Durante la pandemia, pudimos ofrecer hasta $3000 para ayudar con una crisis. Y ahora tenemos un máximo de 500 en eso. Esa es una diferencia significativa”, dijo Marquess a los periodistas. El año pasado, las solicitudes batieron récords con 90,000 habitantes de Iowa que solicitaron LIHEAP y alrededor de 83,000 recibieron asistencia. Marquess dijo que en lo que va del año, el programa tiene aproximadamente la mitad de la cantidad de solicitudes que tenía al final de la temporada del año pasado. Los residentes de los condados de Iowa Lakes de Emmet, Dickinson, Kossuth, Palo Alto y Clay presentarían su solicitud en las oficinas locales de Upper Des Moines. Las agencias de acción comunitaria en cada comunidad administran los fondos de LIHEAP.

Volver a la ciencia de la fusión

Hay dos hitos en llevar la promesa de la fusión nuclear al uso popular en la energía de servicios públicos, según Ricardo Betti, PhD. La Dra. Betti trabaja en el departamento de ingeniería mecánica y física y astronomía de la Universidad de Rochester (NY). El primer hito: “… por primera vez en la historia de la investigación de la fusión nuclear, la entrada de energía a las reacciones de fusión fue menor que la salida de energía. Por lo tanto, la salida de energía fue mayor y, por lo tanto, hubo una energía neta ganancia, dijo el Dr. Betti.

“El segundo hito es que, por primera vez en la historia de este campo, se encendió un combustible de hidrógeno a nivel nuclear, por lo que eso también es algo que sucedió antes en las bombas de hidrógeno, sucedió en las estrellas, pero nunca sucedió en una forma controlada en el laboratorio.”

Una forma en que los científicos han tratado de desarrollar la fusión nuclear involucra lo que se llama tokamak, una cámara de vacío en forma de rosquilla que usa poderosos imanes para convertir el combustible en un plasma sobrecalentado (entre 150 millones y 300 millones de grados Celsius). Imagen gracias a DeepMind

“… sucedió antes en bombas de hidrógeno, sucedió en estrellas, pero nunca sucedió de manera controlada en el laboratorio”.

Dr. Ricardo Betti

“La conclusión más importante del logro reciente de la Instalación Nacional de Ignición es que definitivamente crearon la ignición por fusión en el laboratorio por primera vez. Entonces, la energía del láser en el objetivo era de 2 megajulios, o 2 millones de julios. Y la energía liberada del experimento fue de 3 millones de julios”, dijo Carolyn Kuranz, PhD, profesora de ingeniería nuclear y ciencias radiológicas en la Universidad de Michigan. 

Si bien escalar la tecnología y desarrollarla para que se pueda usar de manera confiable requerirá docenas de años adicionales y muchos avances más, los dos hitos que ocurrieron en las últimas semanas son pasos importantes para lograrlo. El Dr. Kuranz dijo que trabajar con fusión nuclear es diferente de trabajar con otros tipos de energía.

“La energía de fusión nuclear es diferente de las energías renovables que consideramos como la energía solar, eólica e hidroeléctrica, ya que, si bien el combustible es naturalmente abundante, en realidad se encuentra de forma natural en el océano y hay una cantidad significativa. Es diferente, pero sigue siendo una fuente de energía sin carbono. Eso es en lo que realmente debemos centrarnos si vamos a tener un impacto en el cambio climático.

“Ahora, para llevar la energía de fusión a la red eléctrica, ciertamente hay muchos desafíos en el futuro. Este fue un logro científico. Pero para obtener energía de fusión en la red eléctrica, necesitaremos hacer avances en las tecnologías láser, en nuestras tecnologías de objetivos y combustibles. Por ejemplo, la Instalación Nacional de Ignición hizo este experimento tal vez uno por día. Pero necesitaríamos un láser y el combustible se insertaría rápidamente muchas veces por minuto o incluso muchas veces por segundo. Así que tendríamos que desarrollar esa tecnología y también entrar en una planta de energía de demostración antes de que llegue a la red eléctrica”, dijo la Dr. Kuranz.

“Pero ahora podemos comenzar a responder esas preguntas, o incluso hacer esas preguntas sobre lo que se necesita desde que se logró este logro”, dijo el Dr. Kuranz.

Ahora a la conexión de Iowa

Dos físicos de la Universidad de Iowa se han involucrado en el futuro de la ciencia de la fusión. Scott Baalrud, profesor asociado de Física y Astronomía, es copresidente de un comité que ha esbozado una visión de 10 años para la investigación de la energía de fusión y la física del plasma. FESAC, el Comité Asesor de Ciencias de la Energía de Fusión lo está revisando con el objetivo de brindar asesoramiento al Departamento de Energía de EE. UU., específicamente a su Oficina de Ciencias de la Energía de Fusión.

¿Porque es esto importante?

Si la energía de fusión se puede capturar para su distribución generalizada, podría producir energía libre de carbono casi ilimitada para producir electricidad para todos sin elevar las temperaturas globales y empeorar el cambio climático. ¿Qué quieren decir los científicos con “casi ilimitado”? Podría entregarse a bajo costo, con solo los conductos de entrega y la infraestructura inicial presentando costos importantes, mientras que la energía en sí misma podría pasar casi libremente. Esto podría ser una ventaja potencial para los hogares y las pequeñas empresas que luchan por pagar su factura de energía, pero también posiblemente una ventaja menor para las corporaciones de energía. La capacidad de entregar la tecnología aún está a décadas de distancia; para entonces, el equilibrio entre salvar el mundo y las fuerzas del mercado podría alcanzar un mayor equilibrio. 

Los científicos han estado trabajando en la fusión nuclear durante casi 100 años, y han estado tratando de duplicar el proceso en la Tierra durante ese tiempo.

“Por supuesto, ahora la gente está pensando, bueno, ¿cómo vamos a 10 veces más o 100 veces más? Siempre hay un próximo paso”, dijo Kuranz. “Pero creo que esa es una línea clara de, sí, hemos logrado la ignición en el laboratorio”.

Dra. Carolyn Kuranz

Estas reacciones de fusión no son nuevas. Han estado alimentando la luz que vemos del sol y las estrellas durante mucho tiempo. La reacción ocurre, según los investigadores, cuando dos núcleos ligeros se fusionan para formar un solo núcleo. Debido a que la masa total de ese único núcleo es menor que la masa de los dos núcleos originales, la masa sobrante es energía que se libera en el proceso. Visualice el sol entrando con su calor de millones de grados centígrados, ejerciendo una presión de su gravedad que permite que los átomos que de otro modo se repelerían entre sí se fusionen.

El Dr. Baalrud, el otro investigador de la Universidad de Iowa, dijo que su comité, en cooperación con la Sociedad Estadounidense de Física, planea desarrollar una planta piloto de fusión en los Estados Unidos en la década de 2040. “Identifica cuáles son los desafíos tecnológicos y científicos restantes y cómo podemos abordarlos en ese marco de tiempo”, dijo Baalrud. “Significa que la comunidad de energía de fusión quiere construir una planta de energía de fusión, y esos científicos quieren llenar los vacíos para que eso sea posible en los próximos 10 a 20 años”.

Parte de esa investigación podría tener lugar aquí mismo en Iowa, según el Dr. Fred Skiff, profesor del Departamento de Física y Astronomía de Iowa.

“Esto es excelente para nuestra reputación como departamento y como universidad. En el futuro, cuando vayamos a contratar a los mejores talentos en física de plasma, Iowa estará en el radar de los mejores candidatos”, dijo el Dr. Skiff. Skiff es miembro de FESAC y tendrá una voz importante en la dirección de este El Dr. Skiff dijo: “A veces es fácil cansarse de las personas que están al servicio del gobierno, pero mi experiencia en Washington ha sido que tenemos muchos servidores públicos dedicados, y me complace tener la oportunidad de ayudarlos”. Especialmente para esta tarea, estamos sirviendo a la próxima generación”.

El Dr. Kuranz dijo: “Creo que los próximos pasos para la ciencia de la fusión aún no se han determinado. Creo que habrá mucho trabajo para entender qué pasó en este experimento reciente y repetir las condiciones de la reacción de fusión. Creo que a más largo plazo necesitamos ver qué tipo de interés y recursos se ponen en la energía de fusión para la producción de energía, tanto del gobierno federal como de la industria privada”.

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