La carrera por tener el Sol en la Tierra

La carrera hacia la fusión nuclear está experimentando un fuerte impulso, pero ¿de verdad estamos cerca de lograr que esta tecnología sea viable?

Mujer y sol
Getty

La humanidad se enfrenta a un reto sin precedentes: solventar la creciente demanda de energía –fruto del crecimiento demográfico y del aumento de la calidad de vida– y, al mismo tiempo, mitigar el calentamiento global, para lo que es preciso reducir las emisiones de dióxido de carbono.

Ante una situación tan compleja no existen atajos. La solución pasa por la eficiencia energética, la captura del CO2 , la electrificación de todos los sectores –el agrícola, el industrial, el doméstico y el del transporte– y el uso de energías bajas en emisiones de gases de efecto invernadero: las renovables y la nuclear de fisión.

Pero ¿y si realmente sí existiera un atajo, al menos en la generación de electricidad? ¿Te imaginas contar con una enorme fuente de energía nuclear que no dejara residuos radiactivos y sin riesgo de accidentes? Pues bien, existe; se trata de la fusión nuclear. Esta utiliza hidrógeno, un combustible prácticamente inagotable y muy barato. Además, cuenta con otras ventajas sobre la fisión –la que se realiza en los reactores actuales–: generará todavía más energía por cantidad de combustible y casi no producirá residuos, solo la activación de los materiales estructurales del reactor y pequeñas cantidades de tritio, que es un isótopo muy poco peligroso. Asimismo, será una energía mucho más segura, ya que la reacción nuclear se detendrá completamente cuando se deje de suministrar combustible al reactor, a diferencia de lo que sucede en los de fisión. Una vez parados, estos siguen generando calor por la desintegración radiactiva, lo que se conoce como calor residual. Es algo parecido a lo que ocurre en las cocinas vitrocerámicas cuando las apagamos.

Parece ciencia ficción, pero es ciencia real. La carrera hacia la fusión comenzó hace décadas y poco a poco va dando sus frutos. Varios equipos de científicos trabajan en distintos proyectos para lograrla. Probablemente, el más esperanzador, por su enorme inversión y estado avanzado de desarrollo, es el ITER, el reactor experimental que se está construyendo en Francia. Pero, antes de conocer cómo se encuentran hoy en día las investigaciones, es preciso entender en qué consiste esta tecnología. Para ello, debemos comprender el funcionamiento de las estrellas y cómo pretendemos reproducirlo en nuestro planeta.

En esencia, el Sol es un enorme reactor nuclear, pero no rompe –no fisiona– átomos de uranio, como hacen nuestros reactores nucleares, sino que une –fusiona– átomos de hidrógeno, para formar helio. De ese modo, una parte de la materia se convierte en energía; se trata de la luz y el calor que nos llegan a la Tierra, algo que resulta esencial para que sigamos vivos. El problema, entonces, es cómo obtener una fusión nuclear controlada en nuestro mundo, una iniciativa en la que se han embarcado diferentes países, liderados por la Unión Europea, Estados Unidos, Rusia y Japón.

En la actualidad, ya podemos lograr la fusión nuclear, pero, por desgracia, de una forma descontrolada y muy poco práctica para producir electricidad. La bomba de hidrógeno, también conocida como bomba H o de fusión termonuclear, es una muestra de ello. Se trata de un artefacto con una potencia descomunal capaz de sembrar la desolación en una zona muy extensa. En 1961, los dirigentes de la antigua Unión Soviética ordenaron lanzar en el océano Ártico la llamada bomba del Zar, una acción propagandística en la que se haría detonar un ingenio de hidrógeno de 50 megatones –de hecho, inicialmente contaba con el doble de potencia, pero se decidió limitarla–. Este artefacto era 3125 veces más devastador que Little Boy, la bomba lanzada por Estados Unidos en Hiroshima. La onda expansiva de la explosión rompió vidrios situados a más de 900 km y dio tres veces la vuelta a la Tierra. Se calcula que la energía térmica fue tal que habría causado quemaduras de tercer grado a personas situadas a 100 km de distancia.

Pero volvamos a las estrellas y a las reacciones de fusión nuclear que las alimentan. A temperaturas muy altas, el hidrógeno, que es con mucho el elemento químico más abundante del universo, cambia de estado y pasa de gas a plasma. En este, los electrones cargados negativamente se separan de los núcleos –iones–, que están cargados positivamente. La fusión, no obstante, se ve dificultada por las fuerzas electrostáticas de repulsión de los núcleos. Todos sabemos que las cargas iguales se repelen, pero en las estrellas sucede algo muy curioso. Como consecuencia de las altas temperaturas y presiones que se dan en ellas –estas últimas son el resultado de la enorme gravedad presente–, los iones se acercan mucho entre sí y terminan fusionándose. Esto provoca la liberación de energía, que la estrella emite en forma de radiación.

Reactor
Iter Organization www.iter.org

La construcción del ITER –acrónimo inglés de reactor experimental termonuclear internacional, aunque el término también significa ‘camino’ en latín– es una de las iniciativas más ambiciosas que buscan la ansiada fusión nuclear. Los responsables del proyecto, en el que colaboran 35 países y que se está desarrollando en Cadarache, en el sur de Francia, esperan que entre en funcionamiento en 2035. Si todo va bien, producirá 500 MW y demostrará que esta técnica es segura y puede proporcionar más energía de la que consume. En las imágenes, el estado de las obras y un modelo del tokamak, de 23000 toneladas, que albergará 840 m3 de plasma.

 

Sin embargo, conseguir que se den semejantes condiciones en la Tierra es extremadamente difícil. El combustible necesario para lograr la fusión –diferentes isótopos de hidrógeno– debe calentarse a temperaturas del orden de 150 millones de grados centígrados –esto es, unas diez veces más que las que se dan en el núcleo del astro rey, debido a que no podemos simular su gravedad– y debe mantenerse confinado a muy alta presión el tiempo suficiente para que los núcleos se fusionen. No obstante, una vez que se logra el arranque de un reactor de fusión, basta con seguir aportando combustible para mantenerlo funcionando y generando energía.

Con la tecnología actual, la reacción de fusión más viable es entre el deuterio (D) y el tritio (T), dos isótopos del hidrógeno. El primero cuenta con un protón y un neutrón en el núcleo y el segundo, como su nombre da a entender, posee en él tres partículas: un protón y dos neutrones. En proporción a la masa, la reacción de fusión deuterio-tritio (DT) libera al menos cuatro veces más energía que la fisión del uranio.

El deuterio se encuentra en el agua del mar, donde existen unos 30 gramos por metro cúbico. Por tanto, podríamos decir que es muy abundante. El tritio, sin embargo, que es radiactivo, se produce de forma natural en pequeñas cantidades cuando los rayos cósmicos inciden en la atmósfera sobre los átomos de hidrógeno. No obstante, se puede fabricar en un reactor de fisión convencional o a partir del litio, un elemento ampliamente distribuido en la corteza terrestre –del orden de treinta partes por millón–.

En un reactor de fusión nuclear, la idea es que los neutrones generados a partir de la reacción de fusión sean absorbidos por una gruesa capa de material que contenga litio y rodee el núcleo. Al recibir neutrones liberados en las fisiones, este litio se transformaría en tritio y se usaría para alimentar al reactor. Como la energía de los neutrones calentaría la capa de material con litio, un refrigerante –agua, helio u otro fluido– absorbería esa energía térmica para poder producir electricidad como en los reactores actuales, mediante una turbina y un generador eléctrico.

Si todo parece tan sencillo, ¿por qué no se ha conseguido todavía la fusión nuclear? La explicación más simple es que aún no hemos sido capaces de inventar un dispositivo que pueda calentar el combustible DT a altas temperaturas y confinarlo mientras se produce la reacción de fusión. Aunque el foco de las actuales investigaciones se centra en la reacción DT, a largo plazo el objetivo es obtener la DD (deuterio-deuterio), pero este proceso requeriría alcanzar temperaturas todavía más altas

Los reactores de fusión deben producir de forma continuada más energía que la que consumen, un desafío a día de hoy.

Tokamak
Carlos Aguilera / Fuente: Science

Hoy en día, se está estudiando la fusión desde dos enfoques principales: el confinamiento magnético y el inercial. En el primero, cientos de metros cúbicos de plasma DT están confinados por un campo magnético a muy baja presión y se calientan hasta la temperatura de fusión. Como no existen materiales que la soporten, un gran campo magnético –un enorme electroimán– mantiene el plasma flotando dentro del reactor, sin que toque sus paredes. La forma más efectiva de contener el campo magnético es con un reactor en forma toroidal, esto es, como un dónut hueco. El nombre que se le da a este dispositivo es tokamak –por sus siglas en ruso, que en español equivaldrían a cámara toroidal con bobinas magnéticas–.

En 1978, la Comunidad Europea de Energía Atómica (Euratom), junto con Suecia y Suiza, lanzó el proyecto Joint European Torus (JET), en el Reino Unido. JET es el mayor tokamak del mundo en funcionamiento. En diciembre de 1999, finalizó el contrato internacional del JET y la Autoridad de Energía Atómica británica se hizo cargo de la gestión en nombre de sus socios europeos. El JET produjo su primer plasma en 1983 y, en noviembre de 1991, se convirtió en el primer reactor experimental que obtuvo energía de fusión controlada. Eso sí, se consiguió con un alto aporte de electricidad: con él se han logrado hasta 16 MW de potencia de fusión durante un segundo y 5 MW sostenidos en plasma DT a partir de 24 MW de potencia inyectada en su sistema de calentamiento. Aun así, el JET es un dispositivo clave en el desarrollo del ITER.

Instalación Nacional de Ignición de EE. UU
Damien Jemison / NIF

Para alcanzar la fusión mediante confinamiento inercial, en la Instalación Nacional de Ignición de EE. UU. –arriba– se hacen converger 192 haces láser en un diminuto blanco de deuterio y tritio.

 

Recientemente, los responsables del laboratorio de física del plasma de Princeton (PPPL), situado en Nueva Jersey, han anunciado que tienen previsto retomar los experimentos con su reactor experimental de fusión NSTX-U (National Spherical Torus Experiment upgrade) en 2021. Este particular tokamak, de forma esférica y que se averió en 2016, utiliza campos magnéticos para atrapar y comprimir el plasma induciendo la fusión de los núcleos de hidrógeno.

En 1994, el TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) de esa misma institución consiguió brevemente generar 10,7 MW de forma controlada, un récord en aquel momento. Un año más tarde alcanzó los 510 millones de grados. Pero, de nuevo, no logró el objetivo de generar más energía de la suministrada. En todo caso, ha sido igualmente de gran utilidad en la construcción del ITER.

Está claro que en Estados Unidos se están tomando muy en serio la fusión. La División de Física del Plasma de la American Physical Society ha publicado hace unas semanas un informe titulado Community Plan for Fusion Energy and Discovery Plasma Sciences, en el que han colaborado centenares de científicos e ingenieros pertenecientes a varias sociedades profesionales de ese país. Entre las recomendaciones más destacadas que se ofrecen en este estudio, se cita el diseño cuanto antes de un nuevo tokamak que permita construir una central piloto de fusión capaz de producir electricidad, profundizar en la teoría y modelado del quemado de los plasmas, ampliar las investigaciones sobre los mismos, desde la astrofísica a la nanotecnología, y seguir apoyando el consorcio internacional ITER, lo que sin duda es una excelente noticia.

En esta carrera, China tampoco quiere quedarse atrás. En 2017, el EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), erigido en el Instituto de Ciencias Físicas Hefei de la Academia de Ciencias de China, produjo plasma de hidrógeno a 50 millones de grados centígrados y lo mantuvo durante 102 segundos. En noviembre de 2018, alcanzó los 100 millones de grados durante 10 segundos, con un suministro de 10 MW de potencia eléctrica.

En ocasiones, en los medios se indica que este tipo de proyectos constituyen una especie de alternativas al ITER. No obstante, cabe destacar que los países que los impulsan también participan en el desarrollo del reactor experimental internacional y que sus trabajos son totalmente complementarios. De hecho, uno de los objetivos de quienes están empeñados en conseguir la fusión es compartir la tecnología para el bien común de la humanidad.

En 2019, el Gobierno del Reino Unido comprometió 22 millones de libras durante cuatro años para el diseño de un tokamak esférico conocido como STEP, en Culham. Sus objetivos son generar más de 100 MW, explotar la fusión más allá de la producción de electricidad, determinar las cualidades de los materiales y componentes bajo condiciones apropiadas de fusión y optimizar los costes.

Sin embargo, los tokamaks tienen una importante limitación. para atrapar el plasma, el campo magnético alrededor del toroide debe hacerse girar como una espiral. Otro tipo de dispositivos de confinamiento magnético llamados stellarator intentan evitarlo. Para ello, hacen que el toroide se enrosque en todo su recorrido. Sin embargo, resultan mucho más complejos de diseñar y construir. El Wendelstein 7-X es el ingenio de este tipo más grande del mundo. Está situado en Greifswald (Alemania) y ha sido ideado por el Instituto Max Planck de Física del Plasma. En 2016, con 2 MW alcanzó 80 millones de grados durante un cuarto de segundo. El objetivo es que funcione de forma continua durante 30 minutos.

Existen, además, otras técnicas encaminadas a obtener energía de este modo. En la fusión por confinamiento inercial, unos rayos láser o iónicos se enfocan en la superficie de un gránulo de combustible DT de unos pocos milímetros de diámetro. De esa forma, se calienta la capa externa del material, que explota generando una implosión. Ello, a su vez, comprime y calienta las capas internas. El núcleo del combustible puede comprimirse hasta mil veces su densidad líquida, lo que da como resultado condiciones en las que se puede originar la fusión. La energía liberada entonces calienta el combustible circundante, que también puede sufrir una fusión. Ello conduce a una reacción en cadena, conocida como ignición. El tiempo requerido para que ello suceda está limitado por la inercia del combustible –de ahí el nombre–, pero es inferior a un microsegundo. En la actualidad, hay varios equipos de expertos que están logrando avances en este tipo de fusión, pero la mayor parte de la comunidad científica considera más viable la fusión por confinamiento magnético.

Distintos países han puesto en marcha iniciativas que buscan el desarrollo de esta tecnología, pero todas se complementan.

Reactor compacto
Lockheed Martin

La compañía Lockheed Martin está desarrollando un pequeño reactor de fusión compacto –podría transportarse en un camión– capaz de suministrar energía a una ciudad de 100000 habitantes.

 

En marzo de 1989, los químicos Stanley Pons y Martin Fleischmann anunciaron que habían logrado la fusión con un dispositivo muy sencillo que, además, funcionaba a temperatura ambiente, lo que se conoció como fusión fría. Según explicaron, para ello llevaron a cabo la electrólisis de agua pesada mediante electrodos de paladio. Pons y Fleischmann sostenían que se generaba calor, lo cual solo podía explicarse en términos de procesos nucleares, así como subproductos de fusión, incluidos helio, tritio y neutrones. Sin embargo, otros investigadores no pudieron replicar el proceso –algo elemental en ciencia si se quiere dar validez a una propuesta– y, en la actualidad, la mayor parte de la comunidad científica está convencida de que la citada fusión fría no es real.

En todo caso, aún falta tiempo para conseguir que la fusión nuclear comercial sea una tecnología viable. Desde los años 70, una broma habitual que circula entre los científicos e ingenieros que trabajan en ella es que siempre parece que estemos a cuarenta años de alcanzarla. Pero hace cuarenta años no se estaba construyendo el ITER.

En 1985, la Unión Soviética propuso a varios países Europeos, Japón y Estados Uniodos construir un tokamak bajo el amparo del Organismo Internacional de Energía Atómica. Así, entre 1988 y 1990 comenzó a idearse el que sería el Reactor Termonuclear Experimental Internacional –ITER, por sus sigas en inglés–, con lo que se pretendía demostrar la viabilidad de esta tecnología. Canadá y Kazajistán también se unieron a esta iniciativa. En 1996, se aprobó el primer diseño, pero Estados Unidos decidió retirarse del proyecto, lo que afectó enormemente al presupuesto. No obstante, siete años después volvió a incorporarse al mismo. En 2003, China también anunció que se uniría, y, en 2005, tras un intenso debate, se decidió situar el ITER en Cadarache, en el sur de Francia. Por entonces, España tuvo la opción de presentar su propia candidatura. La idea era colocarlo cerca de la central nuclear de Vandellós II, en Tarragona.

A finales de ese mismo año, la India se sumó al consorcio, y en noviembre de 2006 sus miembros firmaron el acuerdo de construcción de esta instalación, que comenzó a hacerse realidad en 2013. Si todo va bien, podría obtener el primer plasma en 2025 y entrar en funcionamiento una década después. El tokamak del ITER –el dónut gigante–, que estará contenido en un edificio de más de 73 metros de altura y pesará unas 23000 toneladas, será el mas grande jamás construido y albergará 830 m3 de plasma.

El objetivo es generar una potencia térmica de 500 MW con menos de 50 MW de potencia de calentamiento de plasma –es decir, multiplicar por diez la energía aportada–, pero no se generará electricidad. Se espera que una futura central eléctrica de demostración de 2 GW, conocida como DEMO –siglas de DEMOstración de generación de potencia–, sea el paso intermedio entre el ITER y los primeros reactores comerciales de fusión nuclear. Estaba previsto que el diseño de DEMO se completara en 2017 y que su construcción se iniciaría alrededor de 2024, de modo que la primera fase de operaciones tuviera lugar a partir de 2033. Pero desde entonces se ha retrasado, y su construcción comenzará después del año 2040.

Como se puede ver, la carrera por la consecución de la tan ansiada fusión nuclear se ha acelerado en estos últimos años. El desarrollo de esta tecnología, que hace uso de un combustible prácticamente inagotable y carece de los riesgos de la energía de fisión, se encuentra en una fase bastante avanzada y abre una puerta a la esperanza, tanto para garantizar el suministro de energía abundante y barata como para hacerlo sin emisiones de gases de efecto invernadero y sin residuos radiactivos.

Está claro que ya no se trata de un mero proyecto teórico, como lo demuestran los numerosos experimentos e iniciativas que se encuentran en desarrollo y que hemos podido entrever a lo largo de estas páginas. Si se cumplen las expectativas, es muy probable que dentro de unas pocas décadas podamos decir que la energía nuclear de fusión ha cambiado el mundo.

A mediados de este siglo podría empezar a distribuirse energía eléctrica obtenida por fusión.

El @OperadorNuclear

Así se conoce en Twitter al ingeniero técnico de telecomunicaciones Alfredo García, autor de este reportaje, que cuenta con más de veinte años de experiencia en el sector nuclear. En la actualidad, trabaja en la central de Ascó, en Tarragona –esta posee dos reactores de agua a presión de más de 1000 MW eléctricos cada uno–, una labor que combina con la divulgación de la ciencia y tecnología nucleares en distintos medios y en las redes sociales.

En su reciente libro La energía nuclear salvará el mundo (Planeta, 18,50 euros), resuelve algunas de las cuestiones e ideas preconcebidas que acompañan a la energía atómica. Así, deja claro que “ni los operadores nucleares son como Homer Simpson, ni en España se puede producir una catástrofe como la de Chernóbil. El autor señala, además, que hoy en día no podemos prescindir de ella sin que aumenten las emisiones de dióxido de carbono y la contaminación atmosférica, por lo que, “si queremos seguir conectando los patinetes, los smartphones y los coches a la red eléctrica, es importante que empecemos a ver esas denostadas centrales nucleares con otros ojos. Aún no se ha descubierto una manera más limpia y eficiente de producir energía eléctrica de forma independiente de los fenómenos meteorológicos”.

A mediados de este siglo podría empezar a distribuirse energía eléctrica obtenida por fusión.