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08 de diciembre de 2022
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¿Más cerca de la fusión nuclear?
Ilustración: Shutterstock

¿Más cerca de la fusión nuclear?

Daniel Martín Reina

La fuente de energía del Sol y todas las estrellas resolvería nuestros problemas de suministro energético y cambio climático, pero dominarla es una tarea monumental.

Aprincipios de 2022 aparecieron varias noticias relacionadas con la fusión nuclear en las portadas de periódicos y portales web de todo el mundo. Por un lado, el experimento europeo JET (siglas en inglés de Toro Común Europeo) batió el récord de energía generada en un reactor de fusión superando con creces la marca anterior, que tenía más de dos décadas. Por otro lado, mediante una técnica distinta el Centro Nacional de Ignición de Estados Unidos logró recuperar el 70 % de la energía suministrada a su aparato para iniciar la reacción, un éxito si tenemos en cuenta que anteriormente solo se recuperaba el 3 %. Por último, un reactor de fusión chino, el prototipo EAST (siglas en inglés de Tokamak Superconductor Experimental Avanzado), consiguió mantener confinado el plasma en el que se produce la reacción de fusión durante más de 17 minutos, mientras los otros experimentos apenas aguantan unos segundos.

Todos estos logros nos acercan al sueño de la fusión nuclear: una fuente de energía barata, limpia y prácticamente ilimitada. En un mundo dependiente de los combustibles fósiles y con la necesidad de frenar de inmediato los efectos del calentamiento global, la fusión nuclear sería la solución a la crisis energética y climática actual.

El combustible de las estrellas

La fusión nuclear es el proceso por el cual brillan las estrellas (ver ¿Cómo ves? Núm. 190). En esencia, las estrellas son enormes esferas compuestas de hidrógeno, en cuyo interior la atracción gravitacional es tan descomunal que la materia se comprime hasta alcanzar temperaturas de millones de grados. En estas condiciones, el hidrógeno no se encuentra en estado sólido, líquido ni gaseoso: forma un plasma, una sopa de partículas cargadas eléctricamente en la que los electrones se han separado de sus núcleos atómicos. Y aunque los núcleos de hidrógeno se repelen por tener la misma carga eléctrica, las elevadas presiones y temperaturas los obligan a acercarse lo sufi ciente como para pegarse unos a otros, formando núcleos atómicos de helio.

Esto es lo que se conoce como fusión nuclear: la unión de núcleos atómicos de un elemento para formar otro núcleo más pesado. En el proceso se pierde algo de masa, que se convierte en energía y se emite al exterior en forma de luz y calor (masa y energía son equivalentes, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein, E = mc2). Si las condiciones de presión y temperatura se sostienen en el tiempo, la reacción de fusión es capaz de mantenerse por sí sola y la energía que desprende es mucho mayor que la que consume. Dicho excedente de energía puede utilizarse para generar electricidad. Además, el combustible habitual de la fusión nuclear, el hidrógeno, no solo abunda en las estrellas, sino también en nuestro planeta. Por si fuera poco, la reacción no produce gases nocivos ni radiactividad.

Todo son ventajas, salvo un pequeño inconveniente: es muy difícil recrear en la Tierra lo que sucede en el interior de las estrellas. Por no poderse alcanzar las elevadas presiones del Sol, el hidrógeno debe calentarse todavía más, a temperaturas de 150 millones de grados, y mantenerse confinado el tiempo suficiente para que los núcleos se fusionen. El problema es que a tales temperaturas, el plasma fundiría el recipiente empleado para contenerlo. O si el recipiente resiste un poco, al entrar en contacto con el plasma, este se enfría lo suficiente para detener la reacción de fusión.

El Sol artificial de China

Al ser uno de los motores que impulsa nuestra sociedad, es lógico que China tenga puesto un ojo en la fusión nuclear: la fuente de energía definitiva. Socio del ITER desde sus inicios, China también tiene sus propios proyectos de fusión, entre los que destaca el prototipo EAST, siglas en inglés de Tokamak Superconductor Experimental Avanzado. Se trata, por tanto, de un experimento de fusión por confinamiento magnético, como el JET y el ITER.

Las dimensiones del prototipo son más bien modestas, pues el reactor no llega a los cuatro metros de diámetro, por los seis del JET. Sin embargo, su diseño está resultando especialmente adecuado a la hora de mantener el plasma confinado durante largos periodos. En la primera mitad de 2021 el reactor mantuvo el plasma a una temperatura de 120 millones de grados durante 101 segundos, con un pico de temperatura de 160 millones de grados que duró 20 segundos. Y el 30 de diciembre de ese mismo año, aunque la temperatura alcanzada fue menor, casi 70 millones de grados, la operación se alargó la friolera de 1 056 segundos (cerca de 18 minutos). Nunca antes había durado tanto el confinamiento de un plasma a alta temperatura en un reactor de tipo tokamak.

 

Récord de producción de energía

Hasta el día de hoy, el método más prometedor para lograr la fusión nuclear es el llamado confinamiento magnético. Consiste en calentar el combustible por medio de descargas eléctricas y luego utilizar potentes campos magnéticos para mantener confinado el plasma dentro del reactor sin que toque sus paredes. De acuerdo con la propuesta realizada por científicos soviéticos a principios de la década de 1950, este campo magnético debe tener forma toroidal, es decir, como una dona hueca. Este tipo de reactor recibe el nombre de “tokamak” por sus siglas en ruso, que significan “cámara magnética toroidal”.

Uno de los experimentos más longevos en activo que usa esta tecnología es el ya mencionado JET, un proyecto de colaboración europea que lleva operando desde 1983 en las afueras de Oxford, Reino Unido. El JET es el tokamak más grande del mundo, a la espera de que se finalice la construcción del anhelado ITER (siglas en inglés de Reactor Termonuclear Experimental Internacional), en Francia. Aunque el JET se ha centrado en comprender el comportamiento del plasma a esas temperaturas y no tanto en maximizar la energía generada, este dispositivo posee en la actualidad el récord de producción de energía.

El 21 de diciembre de 2021, el JET calentó un gas formado por deuterio y tritio hasta alcanzar 150 millones de grados y lo mantuvo estable durante cinco segundos mientras los núcleos se fusionaban, generando un total de 59 megajoules de energía (59 MJ, o alrededor del consumo eléctrico diario de una vivienda en México). El deuterio y el tritio son isótopos del hidrógeno; es decir, tienen un protón, como el hidrógeno, pero distinto número de neutrones (uno el deuterio y dos el tritio).

Aunque otro experimento del JET realizado en 1997 todavía conserva el récord de energía máxima alcanzada, ese pico apenas duró un instante: 0.15 segundos. Los 21.7 MJ que generó el experimento durante cinco segundos no llegan ni a la mitad del más reciente. Este hito es el fruto de más de 20 años de mejoras en el proceso y en el reactor; por ejemplo, la sustitución de carbono por berilio y tungsteno en la pared interna del tokamak. Aunque el carbono es capaz de soportar las altas temperaturas del aparato, también absorbe parte del tritio combustible y reduce la eficiencia de la reacción.

Mas allá del récord, este resultado demuestra que las investigaciones van por buen camino. Todo el conocimiento adquirido en el JET durante casi 40 años se aplicará luego en el ITER.

La alternativa del láser

El tokamak parecía la vía más segura para obtener energía neta a partir de la fusión nuclear. Sin embargo, desde 2009 le ha salido un duro competidor en el Centro Nacional de Ignición (NIF, por sus siglas en inglés), en Livermore, Estados Unidos. El NIF investiga la forma de alcanzar la fusión nuclear usando láseres, lo que se conoce como fusión por confinamiento inercial. El combustible, una mezcla de deuterio y tritio de apenas 200 microgramos, se encuentra en el centro del aparato, en una minúscula cápsula esférica de unos dos milímetros de diámetro, contenida a su vez en un cilindro de oro de un centímetro de largo. A partir de un débil pulso inicial se generan 192 láseres que van aumentando de energía a lo largo de un recorrido de 1.5 kilómetros, hasta alcanzar una energía total de 4 000 000 de joules. Esto supone más de 100 veces la energía que puede proporcionar cualquier otro láser del mundo. Los láseres convergen en el diminuto cilindro de oro durante unos nanosegundos (un nanosegundo es la milmillonésima parte de un segundo). La sincronización debe ser tal que, al cabo de su recorrido, los láseres den en el blanco con un desfase inferior a 30 billonésimas de segundo.

Al recibir el impacto de los láseres, el oro se vaporiza y emite rayos X, lo cual hace que el interior de la cápsula se comprima hasta el grosor de un cabello humano alcanzando una densidad 100 veces mayor que la del plomo y una temperatura de decenas de millones de grados. Este súbito aumento de densidad y temperatura es lo que desencadena la fusión nuclear.

El 8 de agosto de 2021 el NIF produjo una energía estimada de 1.35 MJ durante unos cuatro nanosegundos. Esto supone una cantidad de energía ocho veces mayor que el mejor resultado obtenido hasta ahora en experimentos previos del propio NIF, avance que se debe a una mejor comprensión de los procesos que intervienen en la implosión de la cápsula.

Preguntas en el aire

El objetivo de cualquier experimento de fusión nuclear, ya sea por confinamiento magnético o inercial, es acabar obteniendo más energía en el experimento que la que se aporta para iniciar y mantener la reacción; en tal caso se dice que se ha alcanzado la “ignición”. Sin embargo, la realidad es que ningún experimento lo ha logrado hasta ahora. En el caso del último experimento del JET, se produjeron 59 MJ, pero hubo que suministrar 178.8 MJ para mantener el plasma confinado. Se llama factor de ganancia (Q) al cociente de la energía liberada entre la aportada. En el reciente experimento del JET, Q alcanzó un valor de 0.33, muy lejos de un valor superior a 1, que implicaría ignición. Más cerca se quedó el último experimento del NIF, que produjo 1.35 MJ frente a 1.9 MJ consumidos por los láseres, con lo que Q = 0.71.

Una de las causas de que no se haya alcanzado la ignición en el JET es la naturaleza compleja e ingobernable del plasma. Cuanto más se calienta y se lo intenta comprimir para desencadenar la fusión, más difícil resulta confinarlo. Como cuando intentas agarrar un puñado de arena con la mano y los granos se te escurren entre los dedos, el plasma siempre encuentra la manera de escapar de la prisión magnética. Si los investigadores lograran dominar el plasma a su antojo, la fusión nuclear en el reactor se podría prolongar durante días o semanas, en lugar de los segundos o minutos actuales, convirtiéndose así en una fuente casi ilimitada de energía.

En cuanto al NIF, hay que tener en cuenta que el cilindro de oro que contiene el combustible se destruye en cada experimento. Y hay que esperar varias horas a que se enfríen los láseres para volver a dispararlos. Un futuro reactor de fusión comercial que produzca energía de forma continua necesitaría disparar el láser y reponer el cilindro varias veces por segundo, lo que por ahora no se sabe cómo hacer. Desde este punto de vista, la fusión en un reactor de tipo tokamak es mucho más sencilla, pues basta inyectar el combustible en forma de gas.

La hoja de ruta de la fusión comercial

Una vez que el ITER sea capaz de producir energía de forma puntual, el siguiente desafío consistirá en hacerlo continuamente, que es el objetivo del proyecto DEMO (acrónimo de DEMOnstration Power Plant). Este prototipo experimental aspira a producir 2 000 MW de potencia eléctrica de manera sostenida, empleando para ello solo 80 MW (Q = 25). Antes de eso, el proyecto IFMIF, actualmente en desarrollo, investigará los materiales que requiere la construcción de un reactor de fusión como el DEMO. El primer prototipo de reactor de fusión comercial propiamente dicho sería el PROTO (acrónimo de PROTOtype Power Plant), todavía demasiado lejano como para haber sido diseñado en detalle.

De acuerdo con las fechas que se barajan actualmente, se espera que en 2025 finalice el ensamblaje del reactor de fusión ITER y que empiecen las pruebas con plasma. Si todo va bien, hacia 2040 ITER e IFMIF habrán cumplido su objetivo y se podrá empezar con la construcción del DEMO. Pasarán al menos 10 años hasta que se termine de construir y se ponga en marcha el experimento. Se espera que el DEMO cumpla su objetivo a principios de la lejana década de 2060. Antes de eso, en 2055, ya habría empezado la construcción del PROTO, que debería demostrar la viabilidad comercial de la energía de fusión en la década de 2070. Estos plazos podrían acortarse si la crisis energética se vuelve insostenible. Tomando ciertos riesgos, el desarrollo de DEMO y PROTO podría combinase en un único proyecto. En tal caso, la fusión comercial llegaría en unos 40 años.

La mayor esperanza

Mientras tanto, se está construyendo en Francia el proyecto más ambicioso y complejo de fusión nuclear: el reactor ITER. En este proyecto participan la Unión Europea (más Suiza), Estados Unidos, Rusia, Japón, China, India y Corea del Sur. Basado en la tecnología tokamak, el ITER está diseñado para multiplicar por 10 la energía suministrada (Q = 10) y producir unos 500 MW durante alrededor de 500 segundos consumiendo unos 50 MW en la ignición. El combustible utilizado sería un gramo de deuterio y tritio a partes iguales, calentado mediante microondas hasta más de 100 millones de grados y confinado por la acción de nueve potentes imanes superconductores, cada uno capaz de generar un campo magnético que es 200 000 veces más intenso que el campo magnético terrestre. El edificio que albergará el reactor tendrá una altura de 20 pisos y se asentará sobre una plataforma del tamaño de 60 campos de fútbol. En su interior, el reactor de fusión duplicará en tamaño al JET y pesará 23 000 toneladas, tres veces más que la Torre Eiffel. Algunas de las piezas que forman el complejo son tan pesadas que hubo que modificar las carreteras y los puentes por donde se transportaron. En construcción desde 2010, se espera que el ITER empiece a operar en 2025 y que cumpla su objetivo alrededor de 2040, medio siglo después de empezar su diseño.

Cada vez comprendemos y controlamos mejor la fusión nuclear. Pero hay que ser realistas: todavía quedan por delante varias décadas hasta que podamos abastecer a la humanidad con esta fuente de energía. En el camino hay que resolver diversas cuestiones técnicas, como los materiales y los sistemas de refrigeración que se utilizarán en el reactor, así como la forma de producir tritio, muy escaso en la naturaleza. El desafío es grande, pero la recompensa promete ser mayor todavía.

Daniel Martín Reina es físico y colaborador habitual de ¿Cómo ves? Es miembro del grupo de Investigación de Instrumentación Electrónica y Aplicaciones de la Universidad de Sevilla, España. Escribe el blog de divulgación La aventura de la ciencia: http://laaventuradelaciencia.blogspot.mx

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