La fusión nuclear es uno de los grandes retos que la humanidad tiene por delante. Y también es una inmensa oportunidad. Según numerosos científicos, encabezados por Steve Cowley, un físico teórico británico involucrado directamente en el diseño del reactor de fusión ITER, del que hablaremos más adelante en este mismo artículo, la fusión pone a nuestro alcance la posibilidad de resolver nuestras necesidades energéticas. Pero aún plantea desafíos titánicos.
Como vimos en la primera entrega de esta serie de artículos dedicados a la fusión nuclear, lo que los científicos pretenden es recrear la fuente de energía de nuestro Sol, aquí, en la Tierra. Y hacerlo no es nada fácil. Eso sí, sabemos que funciona. Y sabemos cómo hacerlo. Lo que aún no conocemos es cómo podemos controlar con absoluta precisión las enormemente exigentes condiciones que es necesario materializar para que la fusión tenga lugar.
Y es que en el interior de los reactores de fusión nuclear manejamos nubes de partículas que son sometidas a temperaturas cercanas a los doscientos millones de grados Celsius. Unas diez veces mayores que las del núcleo solar. Sin ellas, la fusión nuclear no tendrá lugar. En cualquier caso, lidiar con estas temperaturas es tan solo uno de los retos en los que están trabajando los científicos. A estos desafíos y otras cuestiones igualmente esenciales está dedicado este artículo.
El plasma, otra forma de «jugar con fuego»
Antes de seguir adelante os invitamos a que, si queréis conocer con todo detalle en qué difieren la fisión y la fusión nuclear, y de dónde obtienen su energía las estrellas, leáis el primer artículo de esta serie. Es un buen punto de partida para sacar el máximo partido a esta segunda entrega.
El plasma utilizado en la fusión por confinamiento magnético está diez veces más caliente que el núcleo solar
Para llevar a cabo la fusión nuclear en los reactores experimentales que nuestros físicos e ingenieros ya han construido debemos utilizar deuterio y tritio, dos isótopos del hidrógeno cuyos núcleos, al ser sometidos a temperaturas elevadísimas (cercanas a los doscientos millones de grados, como os adelanté al principio del artículo), comienzan a fusionarse.
Pero, ¿por qué es necesario alcanzar una temperatura tan monstruosa? Sencillamente, porque es la forma de conferir a los núcleos de deuterio y tritio, que son los componentes del combustible nuclear, la energía cinética que necesitan para que sean capaces de vencer su repulsión natural, y puedan fusionarse, originando un núcleo de helio y un neutrón.
Lo que explica esa repulsión inicial es el hecho de que ambos núcleos tienen la misma carga eléctrica, que es positiva, pero si logramos conferirles una energía cinética muy alta incrementando la temperatura de las partículas, lograremos que se acerquen lo suficiente para que la energía nuclear fuerte, que es la que mantiene unidas las partículas en el núcleo atómico, sea capaz de vencer la repulsión eléctrica y la fusión de los núcleos de deuterio y tritio tenga lugar.
La altísima temperatura de los reactores de fusión nuclear por confinamiento magnético consigue que los núcleos de deuterio y tritio venzan su repulsión eléctrica y se fusionen
A esa nube de partículas que contiene el combustible nuclear a tan alta temperatura los científicos le llaman plasma, que será el nombre que utilizaremos en adelante en el artículo. Y manejar una sustancia a una temperatura tan alta es difícil. Dificilísimo, en realidad. Por esta razón, los grupos de investigación que están trabajando en fusión nuclear han desarrollado dos estrategias diferentes: el confinamiento magnético y el confinamiento inercial.
Confinamiento magnético e inercial
El primero de ellos, el magnético, pretende confinar el plasma en el interior de un campo magnético extraordinariamente potente cuyo objetivo es evitar que los núcleos de deuterio, tritio y helio, que se encuentran, como hemos visto, a una temperatura descomunal, toquen las paredes del contenedor, que no es otra cosa que el recipiente en el que están confinados. Si lo hacen corremos el riesgo de que el contenedor resulte dañado y de que se produzca una reducción de la temperatura que daría al traste con las condiciones necesarias para que la fusión tenga lugar.
Antes de seguir adelante, un apunte importante. Aunque mantengamos el combustible a una temperatura muy elevada para que los núcleos se muevan en el gas ionizado, que es lo que realmente es el plasma, a unas velocidades muy altas, no tenemos la seguridad de que muchas de esas partículas vayan a fusionarse. De hecho, los físicos recurren a un parámetro, conocido como criterio de Lawson, que es el producto del número de partículas que tenemos, la temperatura a la que están sometidas, o, por tanto, la velocidad a la que se están moviendo, y el tiempo que somos capaces de mantener esas condiciones en el sistema.
Este es el aspecto del toroide que confina el plasma a altísima temperatura dentro de los reactores de fusión nuclear por confinamiento magnético.
Este parámetro es el que indica a los científicos en qué medida pueden conseguir que las reacciones de fusión nuclear sean rentables desde un punto de vista energético. Esto significa que es necesario recrear las condiciones apropiadas para que la probabilidad de que los núcleos de deuterio y tritio se fusionen sea lo suficientemente alta, de manera que la energía que necesitamos invertir en el sistema para que tengan lugar un número suficiente de fusiones sea menor que la energía que obtenemoscomo resultado de esas fusiones.
La enorme masa del Sol le permite encender el «horno nuclear» sin necesidad de alcanzar temperaturas tan altas como en los reactores creados por el hombre
El Sol lo tiene mucho más fácil por una razón: su enorme masa le permite incrementar la presión a la que están siendo sometidos los núcleos de hidrógeno de su núcleo, y, por tanto, su densidad, mediante confinamiento gravitatorio tanto como para que esa combinación de presión y temperatura dé lugar de forma natural a la fusión nuclear de los núcleos de hidrógeno. Pero nosotros en la Tierra no podemos recrear esa presión, por lo que, como hemos visto, nos vemos obligados a trabajar con temperaturas muy superiores a las del núcleo del Sol.
El confinamiento inercial, a diferencia del magnético, no recurre a un campo magnético de una potencia descomunal para evitar que el plasma toque las paredes del contenedor, que tiene forma de «rosquilla» (en realidad desde el punto de vista geométrico es un toroide). En lugar de utilizar una «botella magnética» lo que propone es usar una cantidad de combustible no muy grande, en forma de pequeña «bola» de deuterio y tritio, y conseguir que implosione, de manera que el material se condense con una violencia tremenda para lograr que la probabilidad de que los núcleos de deuterio y tritio se fusionen sea muy alta.
Esta imagen refleja cómo los haces láser de alta intensidad consiguen que la «bola» de deuterio y tritio implosione dentro de los reactores de fusión por confinamiento inercial.
Esta técnica, el confinamiento inercial, se ha probado sobre todo en Estados Unidos (en el National Ignition Facility de California), y, aunque inicialmente ha alcanzado buenos resultados, parece que los científicos que están trabajando en ella han tropezado con algunos fenómenos con los que no contaban. Y es que en el instante en el que se acercan a la rentabilidad energética, que, como hemos visto, es ese punto en el que obtenemos más energía mediante la fusión que la que hemos invertido para desencadenarla, la reacción, de alguna forma, se vuelve inestable.
Confinamiento magnético: retos a superar
La fusión nuclear mediante confinamiento inercial es, sin duda, una gran idea. Aun así, el confinamiento magnético se conoce desde hace aproximadamente cinco décadas, y durante los últimos veinte años ha experimentado un desarrollo muy notable. Esto es lo que explica que la mayor parte de los grupos de investigación en fusión nuclear del planeta, incluidos los europeos, estén trabajando en el confinamiento magnético, bien bajo la forma de reactores Tokamak, como ITER, que se está construyendo en el sur de Francia, bien como reactores Stellarator, como el Wendelstein 7-X alemán.
Por esta razón, en adelante nos volcaremos con los reactores de fusión nuclear que recurren al confinamiento magnético, que son los que, probablemente, llegarán antes a esa ansiada meta que es el diseño de un reactor comercial. Aunque, obviamente, no hay garantías de que suceda así, por lo que no podemos descartar la posibilidad de que los estadounidenses tengan éxito con el confinamiento inercial.
Los retos que tienen por delante los científicos en lo que concierne al confinamiento magnético son muy importantes y numerosos, pero, ante todo, podemos condensarlos en dos grandes desafíos. Por un lado están trabajando en el ámbito de la ingeniería de materiales para producir nuevos materiales que sean capaces de soportar las condiciones de trabajo que tienen lugar en el interior de un reactor de fusión nuclear.
Actualmente los físicos y los ingenieros trabajan en dos tipos de reactores de fusión nuclear por confinamiento magnético: los Tokamak y los Stellarator
El material del que estarán fabricadas las paredes del contenedor que alberga el plasma a altísima temperatura es crítico. Lo que los técnicos tienen claro es que su interior debe estar recubierto de litio, de manera que, al recibir el impacto del neutrón generado cuando se fusionan dos núcleos, uno de deuterio y otro de tritio, para producir helio, obtengamos un nuevo núcleo de tritio, un elemento que podremos reutilizar como nuevo combustible en el proceso. Esto indica que, en realidad, la materia prima de la fusión nuclear está conformada por el deuterio y el litio, pero no por el tritio, que podemos obtener dentro de la propia reacción de fusión.
El siguiente reto está directamente asociado al campo magnético responsable de confinar el plasma dentro de la botella magnética. La temperatura del gas ionizado es tan elevada que, si toca las paredes del contenedor, las funde. Y, además, el plasma se enfría y la fusión se detiene. Por esta razón, es esencial que seamos capaces de controlar ese campo magnético con la precisión necesaria para evitar que las turbulencias provoquen que el plasma entre en contacto con las paredes del contenedor. Algo que aún no es posible hacer más allá de unos pocos segundos.
En 1997 los técnicos del JET (Joint European Thorus), en el Reino Unido, consiguieron confinar con éxito plasma a casi doscientos millones de grados durante dos segundos. ¿El resultado? Dieciséis megavatios de potencia, o, lo que es lo mismo, dieciséis millones de vatios. En tan solo dos segundos. Ahí es nada. Eso sí, pasado ese tiempo la reacción de fusión se volvió inestable y se detuvo.
¿Es realmente segura la fusión nuclear?
Sí, lo es. Y las claves para entender por qué es segura las hemos ido tratando a lo largo del artículo. A pesar de que la fisión y la fusión tienen el mismo «apellido», que no es otro que el adjetivo nuclear, tienen muy poco en común más allá del hecho de que estamos manipulando átomos. En la fusión, a diferencia de la fisión, no se producen residuos radiactivos. El resultado, como hemos visto, es un núcleo de helio, que es un elemento estable, y, por tanto, no es radiactivo.
También obtenemos un neutrón, que es el que incidirá en el isótopo del litio alojado sobre las paredes del contenedor de la botella magnética para producir nuevo tritio. Y ya está. No hay nada más. Este neutrón es esencial porque su energía (sale disparado con una energía de unos 14 megaelectronvoltios) es la que los científicos quieren utilizar para producir energía eléctrica mediante el conjunto de transformaciones que vimos en la primera entrega de esta serie de artículos dedicados a la fusión nuclear.
Uno de los técnicos de NIF, el reactor de fusión por confinamiento inercial estadounidense, coloca el receptor que permite alinear los haces láser.
La razón por la que este neutrón, a diferencia del núcleo de helio que también genera el proceso de fusión, no queda confinado en el interior del campo magnético es sencilla: el neutrón carece de carga eléctrica, lo que le permite escapar y chocar con las paredes del contenedor. Una curiosidad: el neutrón está conformado por tres partículas fundamentales con carga (conocidas como cuarks), y la suma de sus cargas es cero, de ahí que digamos que carece de carga eléctrica.
El neutrón resultante de la fusión de los núcleos de deuterio y tritio sale despedido con una energía de unos 14 MeV
Algo que también debemos tener en cuenta a favor de la seguridad de los reactores de fusión nuclear es que las condiciones que nos vemos obligados a recrear para que la reacción tenga lugar son tan exigentes, como hemos visto, que, cuando no se dan, aunque sea por un solo instante, la reacción se detiene. Lo peor que puede pasar en estas circunstancias es que el reactor resulte dañado, o, incluso, destruido, con el enorme coste económico que todos podemos intuir. Pero, eso sí, no se producirá ningún tipo de cataclismo nuclear como los que han tenido lugar en Chernóbil o Fukushima.
Un último apunte, también tranquilizador: la máxima cantidad de energía que se puede liberar a través de una reacción de fusión nuclear está limitada por la cantidad de combustible que invertimos en ella, que normalmente no es muy grande, especialmente en los reactores que recurren al confinamiento inercial. Por eso no tenemos por qué temer ningún tipo de reacción «en cadena».
El itinerario de la fusión nuclear
Nuestra siguiente parada es ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), el reactor de fusión nuclear que está siendo construido en Cadarache, una localidad del sur de Francia, por un consorcio en el que intervienen China, Rusia, Japón, Estados Unidos, India, Corea del Sur, y, por supuesto, la Unión Europea. De hecho, es esta última la principal promotora del proyecto debido a que aporta nada menos que el 45% del presupuesto total.
En un principio ITER iba a estar listo para comenzar la fase de pruebas durante el año que acabamos de estrenar, 2018, pero el Consejo de Gobierno del proyecto decidió hace dos años modificar su planteamiento inicial, fijando 2025 como el año en el que se realizarán las primeras pruebas con plasma, y 2035 como la fecha en que se iniciará el proceso de fusión con deuterio y tritio. Aún toca esperar, pero, dada la magnitud del proyecto, este itinerario parece razonable.
Esta imagen recrea las primeras etapas de la construcción de ITER en Cadarache (Francia).
No obstante, ITER no es el preludio de un reactor comercial. Después de ITER llegará DEMO (DEMOnstration Power Station), que, esta vez sí, será el auténtico predecesor del primer reactor de fusión nuclear comercial. Si todo sale como los científicos y los ingenieros esperan. ITER, como hemos visto, está ya muy avanzado. Pero DEMO no. Todavía está en fase de diseño. De hecho, su diseño conceptual acaba de ser completado, y los técnicos ahora están sumidos en la fase de diseño de ingeniería.
Los proyectos ITER, IFMIF DONES y DEMO son cruciales para poner a punto las tecnologías que harán viables los reactores de fusión nuclear comerciales
El itinerario de DEMO contempla que su construcción debería iniciarse en 2024, y las primeras pruebas en 2033, por lo que se espera que en 2040 esté funcionando a pleno rendimiento para demostrar, que es lo que se pretende, que los reactores de fusión nuclear son rentables desde un punto de vista energético. Y es que con DEMO se pretenden producir al menos 2 gigavatios de potencia de forma estable y continua, lo que, de lograrse, nos permitirá recuperar veinticinco veces la energía invertida en él para ponerlo en marcha.
El problema es que estas fechas no son tajantes, por lo que es posible que sean modificadas, como ya lo han sido las que se manejaban hace unos años. Y lo serán por múltiples factores: falta de recursos económicos, dificultades técnicas, retrasos provocados por las fases de diseño y construcción, etc. Además, DEMO no depende solamente de la viabilidad de ITER; también cuenta con que vaya bien el proyecto IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility).
¿Nunca has visto el interior del hangar que contiene un reactor de fusión nuclear? Aquí lo tienes…
El objetivo de IFMIF es, básicamente, desarrollar los materiales que será necesario utilizar en la construcción del reactor nuclear de DEMO. En este proyecto la «voz cantante» actualmente la tienen la Unión Europea y Japón, que son quienes ponen el dinero. Pero, a su vez, IFMIF depende de las investigaciones que se están llevando a cabo en otros proyectos locales más pequeños. España está participando en la fase EVEDA (Engineering Validation and Engineering Design Activity), que se encarga de la validación de los procesos de ingeniería necesarios para llevar a buen puerto IFMIF.
Y, además, España se está postulando como uno de los principales actores dentro de los proyectos IFMIF y DEMO debido a que la Unión Europea ha elegido la ciudad de Granada como posible sede del futuro acelerador de partículas IFMIF DONES (DEMO-Oriented NEutron Source), en el que se realizarán las pruebas de irradiación neutrónica de materiales. Eso sí, para disfrutar el privilegio, y la responsabilidad, de acoger esta instalación de altísima tecnología Granada deberá imponerse a la ciudad propuesta como candidata por Japón.
¿Cuándo será viable la fusión comercialmente?
Si nos fijamos en las fechas que barajan los itinerarios de ITER, IFMIF DONES y DEMO llegaremos a la conclusión de que a la fusión nuclear comercial aún le quedan, al menos, tres décadas. Los científicos más conservadores y menos dados a las elucubraciones, entre los que se encuentra Steve Cowley, suelen asegurar que, si se mantiene el actual nivel de inversión económica, la fusión nuclear mediante confinamiento magnético estará disponible para aplicaciones comerciales a mediados de este siglo.
Créditos: Xataka
