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¿Es posible un futuro con fusión nuclear?

¿Es posible un futuro con fusión nuclear?
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Hoy en día, la humanidad se enfrenta a un reto creciente: la demanda de energía. Hasta ahora, gran parte de nuestra energía se ha producido a partir de reservas fósiles: carbón, petróleo, gas. Tarde o temprano, estas reservas desaparecerán y el uso de nuevas fuentes de energía no fósiles parece inevitable.

Desde que la humanidad descubrió el poder del átomo, ha habido dos formas de producir energía a partir de reacciones atómicas.

  • Uno de ellos está actualmente controlado: la fisión atómica.
  • La otra ofrece la posibilidad de producir una energía casi inagotable, limpia, sin residuos tóxicos y organizada en torno a vastos proyectos de cooperación internacional: la fusión nuclear.

Toda una promesa. Sin embargo, a pesar de los numerosos trabajos de investigación llevados a cabo en todo el mundo desde los años 50, todavía no se ha producido ninguna aplicación industrial de la producción de energía de fusión, y estamos muy lejos de ello.

La prueba de concepto de estos reactores aún está por demostrar. ¿Es insostenible la promesa de un futuro con fusión nuclear?


 

Una cuestión de energía por encima de todo

En la práctica, una reacción de fusión nuclear requiere que dos núcleos atómicos llamados «ligeros» se Inter-penetren para formar un núcleo más pesado. Para ello, los núcleos deben superar la intensa repulsión causada por sus cargas eléctricas¹.

En este contexto, las leyes de la física son claras: para superar la repulsión electrostática entre los dos núcleos y poner en juego las fuerzas de corto alcance de la atracción nuclear, deben generarse temperaturas de varios cientos de millones de grados².

Cuando dos núcleos atómicos se fusionan, el núcleo resultante se encuentra en un estado energético inestable y debe volver a un estado estable de menor energía. El retorno a este estado estable de la materia se consigue mediante la expulsión de una o varias partículas (fotón, neutrón, protón, núcleo de helio, según el tipo de reacción).

El exceso de energía se distribuye entonces entre el núcleo y las partículas emitidas en forma de energía cinética. Es esta energía resultante la que el hombre desea recuperar y utilizar en el contexto de la fusión nuclear controlada.


 

¿Qué átomos para la fusión?

En la actualidad, la fusión nuclear implica núcleos ligeros, isótopos del hidrógeno: deuterio y tritio.

¿Por qué estos átomos y no otros? La respuesta la da el estudio de las energías de enlace entre átomos, que indica que para núcleos muy pequeños, como los isotópicos del hidrógeno, los que tienen la mejor sección transversal de colisión (fusión) son los núcleos de deuterio y tritio.

La reacción de fusión de deuterio-tritio da lugar a la formación de un núcleo intermedio inestable que, a su vez, decae muy rápidamente. Esta desintegración da lugar a un núcleo de helio más estable y libera un neutrón de alta energía.


 

Lo que está en juego

Dominar la fusión nuclear sería un avance considerable para la humanidad, por varias razones:

  • La existencia de energía abundante. La producción de energía a partir de la fusión nuclear controlada produciría (para la misma masa) una cantidad de energía cuatro o cinco veces mayor que la de las reacciones de fisión nuclear, y varios millones de veces mayor que la de una reacción química como la combustión de carbón, petróleo o gas.
  • Sostenibilidad de los combustibles. Los combustibles de fusión están disponibles universalmente y en cantidades casi inagotables. De hecho, el deuterio se encuentra de forma natural en grandes cantidades en los océanos, y el tritio puede producirse fácilmente a partir del litio. Las reservas mundiales de mineral de litio serían teóricamente suficientes para garantizar más de un millón de años de funcionamiento de una central de fusión⁴. Además, unos pocos gramos de combustible serían suficientes para iniciar y mantener las reacciones de fusión. Así, una central de fusión de 1.000 MWe necesitaría 125 kg de deuterio y 3 toneladas de litio (frente a los 2,7 millones de toneladas de carbón de una central térmica de la misma capacidad) para funcionar durante todo un año.
  • Energía limpia. Los reactores de fusión nuclear no producen residuos radiactivos de alto nivel y larga vida. Los productos de fusión en sí (principalmente el helio) no son radiactivos. Los residuos potenciales se limitan, cuando la reacción utilizada emite neutrones, a los materiales circundantes, que pueden capturar estos neutrones y convertirse a su vez en isótopos radiactivos. Así, las paredes del reactor golpeadas por los neutrones se volverán débilmente radiactivas. Pero pueden reciclarse en un plazo de cien años desde su retirada de la instalación; esto es incomparable con los cientos de miles de años que requieren los residuos procedentes de la fisión (el torio 230 tiene una vida media de 75.000 años; el neptunio 237 tiene una vida media de 2,14 millones de años). Por último, la fusión nuclear no genera CO2 ni otros gases de efecto invernadero.
  • No hay proliferación. La fusión nuclear no utiliza materiales fisibles como el uranio y el plutonio (el tritio radiactivo no es un material fisible o fisionable). Además, un reactor de fusión no contiene elementos que puedan utilizarse para fabricar armas nucleares.
  • No es posible la fusión del núcleo. Un accidente nuclear del tipo de Fukushima no podría ocurrir en un reactor de fusión. Esto se debe a que las condiciones para las reacciones de fusión son difíciles de conseguir; en caso de perturbación, el plasma se enfría en pocos segundos y las reacciones se detienen. Además, la cantidad de combustible en la nave es insuficiente para mantener las reacciones más allá de unos pocos segundos. Por lo tanto, una «reacción en cadena» es imposible.
  • El coste. El coste medio por kilovatio de electricidad debería ser equivalente al de la fisión. Sin embargo, la novedad de la tecnología debería conducir a precios más altos, pero es razonable esperar que las economías de escala logradas mediante la expansión de la tecnología contribuyan gradualmente a una reducción significativa de los precios.
  • Además, la capacidad de producir energía a partir de la fusión nuclear controlada no depende de las condiciones meteorológicas, a diferencia de la energía solar o eólica, y puede ampliarse según la demanda.

 

Los límites

Por tanto, la fusión nuclear controlada parece ser muy prometedora. Sin embargo, aunque las posibilidades que ofrece la fusión se contemplaron al mismo tiempo que las de la fisión, es esta última, más fácil de aplicar, la que ha producido resultados que pueden explotarse mucho más rápidamente.

Por ello, todavía no existe ninguna central de fusión industrial y los reactores existentes son todos de investigación (o de demostración).

¿Por qué? Esto se debe principalmente a los retos científicos y tecnológicos que implica la explotación de la fusión en sí. He aquí un breve resumen de los principales retos. Para desarrollar la fusión controlada, los ingenieros e investigadores se enfrentan a tres grandes retos:

  • la temperatura
  • la densidad
  • la contención.

Para conseguir reacciones de fusión, es necesario alcanzar una temperatura suficiente (millones de grados centígrados) en un espacio confinado (la cámara toroidal del reactor), y al mismo tiempo obtener una densidad de fusión suficiente (se requiere un número mínimo de reacciones por intervalo de tiempo), así como un tiempo de confinamiento de la energía suficiente (la energía creada no debe escapar demasiado rápido del sistema y el medio debe retener la energía creada durante un tiempo suficientemente largo).

En la actualidad, los experimentos de fusión han demostrado que estas limitaciones pueden cumplirse… pero por separado.

Además, para que la fusión nuclear sea energéticamente rentable, la energía producida debe ser mayor que la consumida para mantener las reacciones. En particular, es esencial eliminar cualquier posibilidad de pérdida de calor hacia el exterior.

Por lo tanto, en un reactor de fusión es esencial evitar cualquier contacto entre el medio de reacción y los materiales circundantes. Esto se conoce como contención inmaterial⁵.

 

Sección del tokamak ITER y los sistemas integrados de la planta
Sección transversal del demostrador ITER

 

interior del tokamak europeo JET
Interior del tokamak europeo JET

 

El núcleo del tokamak consiste en una cámara de vacío en forma de anillo. Dentro de esta cámara, las partículas cargadas eléctricamente que componen el plasma pueden ser confinadas y controladas por bobinas magnéticas colocadas alrededor de la cámara. Esta propiedad se utiliza para mantener el plasma caliente alejado de las paredes de la cámara. La energía generada por la fusión de los núcleos atómicos es absorbida en forma de calor por las paredes de la cámara de vacío.

Al igual que las centrales eléctricas convencionales, una central de fusión utiliza este calor para producir vapor y luego, mediante turbinas y generadores, electricidad.

Por último, en la actualidad no se conocen materiales que puedan soportar la radiación y el flujo de neutrones liberados durante estas reacciones durante un tiempo suficiente. Por lo tanto, es inevitable que las paredes tengan que ser sustituidas con bastante frecuencia, así como los distintos circuitos, que también se verán dañados, y se producirá un volumen de residuos con alta actividad radiactiva durante un periodo de unos cien años.

Por ello, los opositores al principio de la fusión nuclear controlada cuestionan la posible inestabilidad de los reactores, que podría derivarse de la gran dificultad de mantener un plasma a muy alta temperatura. Según ellos, el fenómeno de la «interrupción» podría causar daños considerables a la instalación.

Los trabajos de investigación que se llevan a cabo actualmente en todo el mundo tienen por objeto, en particular, encontrar materiales menos reactivos a las reacciones del plasma de fusión y, por tanto, menos radiactivos.


 

Demostradores experimentales

Desde los años 50, los avances científicos y tecnológicos han permitido desarrollar demostradores capaces de producir plasma y calentarlo.

Una de las principales dificultades que aún quedan por resolver es la contención de este plasma dentro del reactor.

Proyecto JET: Históricamente, el Joint European Torus (JET) de Culham, en el Reino Unido, que entró en servicio en 1983, -resultado de la colaboración entre 20 países europeos- fue el primer reactor de tipo tokamak que consiguió crear una fusión controlada a partir de una mezcla de deuterio-tritio, y luego obtener el mejor balance energético con un factor de amplificación de Q⁶ = 0,65 (véase la nota siguiente para una explicación más detallada de este factor).

En la actualidad, el objetivo asumido por instalaciones como el JET, o incluso el tokamak japonés JT-60 (o JAERI por Japan Atomic Energy Research Institute) es alcanzar al menos un factor Q=1.

Proyecto ITER: En 1986, el objetivo declarado de producir una cantidad de energía mayor que la consumida para generar el plasma de fusión dio lugar al proyecto ITER (Reactor Termonuclear Experimental Internacional) a gran escala, ubicado en el emplazamiento de Cadarache (Francia) y en el que participan 35 países. El proyecto de investigación ITER forma parte de un enfoque a largo plazo para la industrialización de la fusión nuclear. El objetivo principal de este proyecto es, en primer lugar, superar el punto de equilibrio, el llamado factor Q, para demostrar que la fusión nuclear puede utilizarse como nueva fuente de energía.

Además, las ambiciones de este proyecto van mucho más allá, ya que el ITER debería ser capaz de producir 500 megavatios de energía de fusión por sólo 50 megavatios consumidos⁷, y ser capaz de calentar el plasma a unos 150 millones de grados centígrados, es decir, ¡un factor Q igual a 10!

El calendario del ITER fija una fecha para la producción experimental del primer plasma en diciembre de 2025, y esta primera fase de funcionamiento debería permitir la realización de numerosos experimentos científicos. El inicio del funcionamiento del deuterio-tritio está previsto para 2035, momento en el que el ITER debería poder funcionar a plena potencia.

Si los experimentos del ITER tienen éxito, otro reactor de fusión nuclear podría ocupar su lugar en 2040. Se trata de DEMO (Demonstration Power Plant), un reactor que debería funcionar de forma continua y, a diferencia del ITER, estar conectado a la red eléctrica. DEMO debería ser capaz de producir al menos 2 gigavatios de energía de fusión con un factor Q de 25.

Sin embargo, el proyecto ITER se enfrenta a numerosas dificultades, sobre todo debido a las limitaciones asociadas al ámbito internacional del proyecto. De una puesta en marcha prevista para 2016 con un presupuesto inicial de 5.000 millones de euros, el proyecto cuenta actualmente con un presupuesto de 20.000 millones de euros para una puesta en marcha aplazada hasta 2025. Los experimentos a gran escala tendrán que esperar hasta 2035…

Además, a pesar del objetivo inicial de un factor Q > 10, es imprescindible obtener un factor Q > 40 para que se pueda contemplar la comercialización de una central de fusión…

Paralelamente al ITER, otros proyectos internacionales de investigación experimental sobre la fusión controlada han llevado a la construcción de nuevos demostradores que pretenden producir más energía que el ITER (uno en Japón, otro en China y otro en Alemania).

Proyecto TORUS: Japón, por ejemplo, tiene previsto actualizar su reactor tokamak JT-60U (Japan Torus-60 Upgrade), que es el equivalente al reactor JET.

Proyecto EAST: China también ha producido su propio tokamak (cuya construcción finalizó en 2006). En febrero de 2016, anunció que este reactor, el Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), había logrado mantener el plasma de fusión a una temperatura de 50 millones de grados centígrados durante algo más de 100 segundos.

Proyecto WENDELSTEIN 7-X: Alemania (que también participa en el ITER) inauguró el Wendelstein 7-X en diciembre de 2015. Actualmente, este reactor es capaz de calentar un plasma a 100 millones de grados centígrados, pero durante menos tiempo que el reactor chino.

Estos tres demostradores son principalmente experimentos científicos y no están destinados a producir electricidad. Por tanto, los resultados de estos experimentos podrían ser decisivos para el futuro de la investigación sobre la fusión nuclear. Sobre todo porque estos proyectos ya han requerido importantes esfuerzos financieros.

Por tanto, es comprensible que la comunidad espere resultados tangibles que justifiquen estas inversiones. Si no se obtienen estos resultados, puede ser difícil pensar en seguir investigando a gran escala.


 

Proyectos industriales

Aunque ningún demostrador ha conseguido aún dominar el proceso de fusión controlada para producir electricidad, y el tremendo impulso económico que supondría la fusión nuclear controlada aún está por demostrar, varias empresas industriales se han puesto manos a la obra recientemente.

Proyecto LOCKHEED MARTIN: En 2014, Lockheed Martin afirmó haber encontrado una nueva forma de crear campos magnéticos que podrían confinar mejor el plasma, ofreciendo la posibilidad de crear un reactor de fusión que podría caber en un espacio mucho más pequeño que los reactores actuales. Sin embargo, el anuncio fue recibido con mucho escepticismo en la comunidad científica. Esto se debe principalmente al hecho de que el tipo de contención utilizado en este proyecto ya ha sido estudiado y probado en el pasado sin dar resultados convincentes.

Proyecto MIT ARC: El MIT trabaja actualmente en un nuevo concepto de reactor de fusión nuclear (ARC o Affordable, Robust, Compact), ocho veces más pequeño que el reactor ITER, actualmente en construcción, y que proporciona, según el laboratorio, la misma potencia a una cuarta parte del coste. La diferencia importante con respecto a los demostradores actuales es el uso de un nuevo material para los imanes superconductores que permiten confinar el plasma, lo que permite aumentar el campo magnético hasta la potencia 4. El MIT cree que esto permitiría, entre otras cosas, diseñar reactores mucho más pequeños (del tamaño de un semirremolque) y más baratos, que serían comercializables en pocas décadas.

Proyecto DYNOMAK: La Universidad de Washington está trabajando en un proyecto de reactor (Dynomak) cuyo interés radica en que la corriente electromagnética encargada de mantener el plasma en su lugar circula por su interior, y no estaría situada en el exterior como ocurre en los demostradores de investigación; esto permitiría diseñar un sistema más pequeño que los reactores tipo tokamak generalmente utilizados y con un coste menor.

Proyecto TRI ALPHA: Entre los proyectos industriales prometedores, cabe mencionar también el proyecto llevado a cabo por la empresa Tri Alpha, que confinó un plasma a una temperatura de 10 millones de grados centígrados durante cinco milisegundos en un reactor que utiliza un campo magnético invertido (una tecnología completamente diferente a la del ITER). Puede parecer un logro modesto, pero hasta ahora sólo lo podían conseguir los grandes grupos de investigación.

En este contexto de investigación industrial sobre la fusión controlada, algunos de los grandes jefes de la nueva economía están invirtiendo grandes sumas de dinero en el desarrollo de estas tecnologías.

  • Peter Thiel, cofundador de PayPal, ha invertido más de 10 millones de dólares a través de su fondo Mithril Capital Management en Helion Energy, una empresa con sede en el estado de Washington.
  • Paul Allen, cofundador de Microsoft y creador del fondo Vulcan Capital, ya ha financiado la investigación de Tri Alpha con 40 millones de dólares.
  • Jeff Bezos, el consejero delegado de Amazon, ha destinado 20 millones de dólares de su fondo Bezos Expeditions al proyecto General Fusion.

Estas inversiones estimulan la investigación mundial sobre la fusión y tienen el potencial de crear avances tecnológicos en materiales superconductores que también serán aplicables en otros campos (medicina, transporte, etc.).

De la misma manera que los programas espaciales han permitido el desarrollo de nuevas tecnologías en otros campos, la fusión nuclear sirve ahora de incubadora de tecnología. Y la industria ha comprendido que, aunque no hay garantías de que la fusión controlada tenga éxito, los beneficios tecnológicos y económicos son casi seguros.


 

Conclusión:

Está claro que la llegada de la fusión nuclear controlada sería una solución viable y radical al problema energético de la humanidad. Pero si estamos cerca o lejos del objetivo es difícil de responder en la actualidad. Las dificultades técnicas y tecnológicas que hay que resolver son inmensas y demasiado numerosas. Por ejemplo, por un lado, la física de los plasmas no se domina bien y, por otro, la elección y el uso de los materiales necesarios para la contención aún no se han decidido. Y esto es sólo para mencionar estos dos puntos principales.

Sin embargo, sería demasiado precipitado concluir que esta incertidumbre equivale a un fracaso programado, porque los avances son lentos pero reales. Así, cuando en el siglo XVIII los primeros intentos de vuelo a vela reflejaban el inicio del sueño del hombre de conquistar el aire, era inconcebible entonces imaginar las sucesivas revoluciones tecnológicas en diversos sectores que hoy permiten al hombre volar a cerca de 900 km/h en un avión presurizado y climatizado, circunnavegar el globo en pocos días o ir a la Luna y quizás incluso a Marte. Estas hazañas que han hecho posible lo imposible refuerzan la idea de que «todo lo que un hombre es capaz de imaginar, otros hombres serán capaces de lograrlo⁸.

Los reactores de fusión nuclear son proyectos experimentales viables, que se hallan en proceso de diseño y realización. A partir del año 2050, si se supera con éxito el proyecto DEMO; ITER, junto a las demás propuestas internacionales, comenzarán la construcción de centrales de fusión por todo el planeta.


¹ Se trata del llamado fenómeno de la «barrera de Coulombian».

² Puede representar 10 veces la temperatura media del sol.

Los isótopos son átomos que tienen el mismo número de electrones y protones, pero un número diferente de neutrones. Los isótopos de un mismo elemento tienen propiedades químicas idénticas pero propiedades físicas diferentes (estabilidad o radiactividad en particular).

⁴ Las reservas de litio situadas en la corteza terrestre permitirían el funcionamiento de las centrales de fusión durante más de 1.000 años; las cantidades presentes en los océanos podrían satisfacer las necesidades durante millones de años).

⁵ El confinamiento inmaterial puede ser magnético o inercial. En el confinamiento magnético, las líneas de campo magnético confinan efectivamente el plasma dentro del reactor (es el caso de los reactores tokamak, por ejemplo). En el confinamiento inercial, la energía se suministra mediante un haz de luz láser a una bola de combustible, que desencadena la producción de un plasma muy denso pero de muy corta duración (en contraste con el confinamiento magnético, que produce un plasma de baja densidad pero durante un tiempo bastante largo).

⁶ El factor Q es un factor de amplificación. Este factor corresponde a la energía producida en comparación con la energía consumida. Cuando Q=1, se produce tanta potencia como se inyecta: es el punto de equilibrio. Cuando Q es superior a 5, la potencia suministrada por la fusión compensa la potencia inyectada: el balance se vuelve positivo y el reactor se convierte en productor de energía. Cuando la energía suministrada por los núcleos de Helio (también llamados partículas alfa) es suficiente para mantener el plasma a temperatura, ya no es necesario inyectar energía: es la «ignición» (Q → ꝏ).

⁷ Además, este reactor también tendrá que probar soluciones a los problemas de estabilidad del plasma, la generación interna de tritio y el comportamiento de los materiales sometidos al flujo de neutrones, que son verdaderos retos científicos y tecnológicos.

⁸ Cita apócrifa, generalmente atribuida a Jules Vernes.

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