Fusión nuclear: Soñar es bueno, pero con los ojos abiertos

El 13 de diciembre todos los medios de comunicación se hacían eco de una noticia impactante: el departamento de energía de EE UU anunciaba un hito histórico en la carrera por conseguir energía limpia, barata e inagotable por medio de la fusión nuclear. Todas las tribus de negacionistas unían sus voces a las de los tecno-optimistas para celebrar la noticia: el santo grial había sido descubierto. En la rueda de prensa que siguió al anuncio los ingenieros no ocultaron ningún dato; se trata de un hito importante desde el punto de vista de la ingeniería del proceso, pero seguimos estando muy lejos de la meta. Los medios de comunicación también se hicieron eco de estas puntualizaciones, pero sin provocar el impacto en la opinión pública de las primeras portadas. El daño del sensacionalismo puesto una vez más al servicio de intereses espurios estaba hecho. En este artículo vamos a explicar los detalles de la fusión nuclear y la situación de los proyectos en curso de una manera sencilla, para que todos podamos entenderlos.

¿Qué es la fusión nuclear?

Nikola Tesla fue uno de los grandes genios de todos los tiempos, un soñador que trabajó durante toda su vida persiguiendo algo muy específico: conseguir electricidad universal y gratuita. No lo consiguió, pero el legado de sus inventos nos ha cambiado la vida a las siguientes generaciones. En cierta medida el sueño de Nikola ha seguido vivo, la Humanidad continúa buscando la forma de obtener energía que sea limpia, barata e inagotable, y ha fijado la atención en una reacción física muy concreta: la fusión nuclear.

Conocida desde hace un siglo, la fusión nuclear es la fusión de dos núcleos atómicos para producir un núcleo atómico más pesado tal y como indica su nombre. Antes de entrar en detalles, tenemos que recordar que los núcleos de los átomos están formados por protones y neutrones que se mantienen unidos entre sí por la fuerza fuerte, una de las cuatro fuerzas de la física junto a la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza débil. La fuerza fuerte es superior a la fuerza electromagnética que hace que los protones se repelan entre sí, lo que permite que se mantengan unidos en el núcleo junto a los neutrones.

Para que dos núcleos lleguen a fusionarse entre sí tienen que acercarse venciendo la repulsión electromagnética de los protones, para lo cual no contamos con la ayuda de la fuerza fuerte pues esta sólo es efectiva a las escalas de los núcleos, decayendo exponencialmente a mayores distancias. La dificultad de la tarea se pone de manifiesto sin más que recordar que en el universo sólo se producen reacciones de fusión nuclear en el interior de las estrellas, lugar donde se alcanzan temperaturas y densidades altísimas por efecto de su autogravedad. Hay que mencionar que en el pasado, cuando el universo apenas tenía 3 minutos de vida y era muy pequeño, denso y caliente, hubo un episodio muy breve pero importantísimo de fusión nuclear conocido como la “nucleosíntesis primordial”, en el que se formaron los núcleos de los primeros átomos del universo, de hidrógeno, helio, litio y berilio.

La luz de las estrellas ilumina el universo, y permite que haya vida en planetas como el nuestro gracias a la energía que nos brinda. ¿Podríamos tratar de emular a las estrellas fusionando núcleos atómicos para conseguir energía? Sobre el papel la respuesta es sí, aunque cómo llevarlo a la práctica es un asunto de una complejidad tecnológica enorme, como veremos más adelante.

La fusión nuclear que se está investigando se produce entre un núcleo de deuterio y uno de tritio, por ser la reacción más fácil de conseguir. Ambos elementos son isótopos del hidrógeno con un único protón, acompañado de un neutrón en el caso del deuterio y de dos en el caso del tritio. Cuando están lo suficientemente cerca se fusionan entre sí para formar un núcleo de helio con dos protones y dos neutrones, liberándose el neutrón sobrante tal y como se muestra en la figura.

Si sumamos la masa de un núcleo de helio y un neutrón, y la comparamos con la suma de la masa de un núcleo de deuterio y otro de tritio, vemos que en el proceso de fusión se pierde masa, que se transforma en energía cinética de los productos resultantes. En este punto debemos recordar que la fórmula más famosa de la historia, , expresa la equivalencia entre masa y energía, así como el principio físico que establece que la energía ni se crea ni se destruye.

La energía que se libera de la fusión de un núcleo de deuterio con uno de tritio es absolutamente insignificante a efectos de consumo humano, pero en una cucharita de café que contenga una mezcla de ambos hay billones de billones de átomos; si consiguiésemos fusionarlos a todos entre sí obtendríamos una energía equivalente a quemar varias toneladas de carbón. Es decir: con muy poquito combustible podría liberarse una energía enorme.

El deuterio es un elemento muy abundante en la naturaleza, en una relación aproximada con el hidrógeno de 1 parte en 6.000. Como curiosidad, el deuterio se destruye en el interior de las estrellas y no se conoce ningún proceso natural por el que se cree, lo que significa que todo el deuterio que hay en el universo se formó en la nucleosíntesis primordial. En cualquier caso el deuterio no es un problema; lo hay en abundancia, y no es difícil de obtener.

Por el contrario, el tritio es muchísimo más escaso. Aunque los rayos cósmicos lo crean al incidir en la alta atmósfera, se trata de un elemento radiactivo con una vida media muy corta, de tan solo unos 12 años. Se calcula que apenas hay unas decenas de kilos de tritio disponibles en el planeta, una escasez de la que da buena cuenta su precio actual en el mercado, 30.000 dólares por gramo. No obstante, es un elemento relativamente fácil de crear, por ejemplo bombardeando una lámina de litio con neutrones. Según estiman los expertos, al ritmo de consumo actual sólo se necesitaría 1 gramo de litio por persona / año para transformarlo en tritio, por lo que tampoco sería un problema.

Tenemos la reacción y el combustible a usar, ya sólo nos faltaría volcar la energía liberada a la red eléctrica. El procedimiento puede ser el mismo que en las actuales centrales nucleares de fisión nuclear, en cuyos reactores se rompen (fisionan) átomos liberándose energía. En la fisión también hay una diferencia de masas entre los productos entrantes y los resultantes de la reacción que se transforma en energía cinética; esta energía liberada se transfiere al agua que rodea el reactor para producir vapor, que es transformado en electricidad mediante turbinas y generadores.

Hasta aquí todo parecen buenas noticias. A partir de este punto es cuando comienzan las complicaciones.

Un reto tecnológico que desafía la imaginación

Como decíamos anteriormente, para que dos núcleos se fusionen entre sí deben acercarse venciendo la repulsión electromagnética. Esto es algo que puede conseguirse si los hacemos chocar a muchísima velocidad como ocurre en los aceleradores de partículas. Pero lo que necesitamos no es un simple choque entre dos núcleos, sino billones…

Una de las estrategias para conseguirlo es por medio de confinamiento magnético. La idea consiste en elevar la temperatura manteniendo al material confinado y que sea la agitación térmica la que se encargue de provocar los choques. Pero para llevarlo a la práctica antes tenemos que resolver un problema: la temperatura requerida supera los 100 millones de grados; es tan extraordinariamente alta que no hay material capaz de resistirlo. Para sortear el problema, el combustible se lleva al estado de plasma separando a los electrones de los núcleos de forma que solo haya partículas cargadas; esto permite que pueda confinarse mediante campos magnéticos intensos que impiden que toque las paredes del recipiente, evitando que literalmente se derritan en el proceso. Finalmente se eleva la temperatura hasta llegar a la temperatura de ignición, es decir, hasta que se produzca la fusión. Para elevar la temperatura se pueden utilizar distintas técnicas como inyecciones de neutrones o radiofrecuencias. Un par de datos bastan para hacernos una idea de la magnitud de la temperatura requerida: la temperatura del núcleo de la Tierra es de unos 6.000 grados, la del centro del Sol de unos 15 millones.

Otra estrategia diferente es el confinamiento inercial. El plasma se confina en bolitas de diamante de pocos milímetros de diámetro que se sitúan en el interior de una cámara esférica de aluminio en la que se colocan muchos láseres de alta potencia. Los láseres se hacen incidir simultáneamente sobre la cápsula de diamante para que el combustible en su interior se caliente comprimiéndose de forma súbita, lo que provoca la fusión.

La ingeniería involucrada en cualquiera de las dos estrategias para llevarla a buen puerto es complejísima, aunque los retos tecnológicos a superar no terminan ahí. El flujo de neutrones de alta energía producidos en la reacción provoca daños severos en los materiales del reactor. Esto obliga a una investigación compleja para seleccionarlos (lo que incluye investigar nuevos materiales), y a realizar un diseño de la estructura que minimice la degradación a la par que facilita la reparación y reemplazos que serán necesarios como parte del día a día de las futuras instalaciones comerciales. Otro de los grandes retos es el de mantener un nivel de fusiones estable en el tiempo, lo que incluye ir alimentando al reactor con nuevo combustible sin olvidar la necesidad de ir creando tritio a través del litio como parte del proceso. Y todo esto, por supuesto, sin perder de vista la rentabilidad energética. Es de Perogrullo que el objetivo sólo se alcanzará si se consigue que la energía requerida para mantener al reactor en funcionamiento es inferior a la que se obtiene con él.

La magnitud del reto tecnológico es tal que obliga a abordarlo por fases. El objetivo de la primera, que es en la que nos encontramos, es el desarrollo de reactores experimentales que consigan la fusión de una pequeña cantidad de combustible, a la par que sirven a los ingenieros como banco de pruebas para investigar materiales, diseños y rentabilidad energética. En estos momentos hay distintos proyectos en curso, tanto públicos como privados, entre los que destaca ITER, un proyecto internacional público en el que participa un consorcio de 35 países, incluido España. El reactor nuclear está localizado en Francia y está basado en confinamiento magnético; su construcción comenzó hace 10 años, y los ingenieros calculan que aún les quedan otros 6 o 7 años de trabajo por delante. El objetivo marcado es conseguir 500 megavatios de potencia utilizando 50, durante 15 minutos.

Entre los reactores experimentales que siguen la estrategia de confinamiento inercial destaca NIF, el proyecto de Estados Unidos responsable del hito anunciado a principios de diciembre. Con un haz de láseres que ha inyectado 2,1 megajulios en el combustible han conseguido 3 megajulios de energía. La ganancia parece neta, pero en realidad no lo es: a la energía inyectada por los haces láser hay que sumar la energía requerida para ponerlos en funcionamiento, que han sido 300 megajulios. El hito, interesante desde el punto de vista de la ingeniería, ha sido conseguir que la energía de ignición sea inferior a la obtenida, pero aún queda mucho recorrido para conseguir que el proceso sea energéticamente rentable.

Superada esta primera fase comenzarán los proyectos DEMO, cuyo objetivo será demostrar que puede producirse electricidad neta a partir de la energía de fusión. Aunque hay diseños preliminares en curso, el diseño final debe esperar a que se alcancen los objetivos perseguidos con los reactores experimentales, pues el corazón de la instalación es el reactor nuclear. El desafío que afrontarán los DEMO será encontrar la manera de mantener el plasma de fusión estable durante un tiempo suficientemente prolongado para producir energía de forma continuada. Además, deberán incorporar todos los sistemas y tecnologías capaces de convertir la energía de fusión en electricidad que pueda volcarse a la red. Del éxito de los proyectos DEMO dependerá que las centrales de fusión comerciales vean o no la luz.  Según estiman los expertos, las primeras pruebas de las instalaciones DEMO podrían comenzar para la década de los 50. 

Soñar es bueno, pero manteniendo los ojos abiertos

¿Conseguiremos legar a las generaciones venideras una tecnología que les permita disfrutar de energía segura, abundante y muy barata gracias a la fusión nuclear? ¡Ojalá! La mera posibilidad de que el sueño pueda hacerse realidad es merecedora de todos los esfuerzos que se están realizando.

No obstante, la prensa no debería caer con tanta facilidad en el sensacionalismo, pues este tan sólo sirve para alimentar el empoderamiento de la ignorancia. Un hito secundario de una investigación en curso a la que faltan décadas de intenso trabajo no puede anunciarse a bombo y platillo como el “descubrimiento del santo grial que resolverá todos nuestros problemas”. Es sencillamente falso. Nadie puede garantizar cuándo conseguirá la humanidad tener disponible esta fuente de energía, si es que alguna vez se consigue pues tampoco puede nadie garantizar que no van a aparecer dificultades por el camino que pospongan el proyecto sine die.

Soñar es bueno, pero manteniendo los ojos bien abiertos a la realidad. Estamos provocando una catástrofe medioambiental debido al calentamiento acelerado de la temperatura por la frenética actividad industrial, a lo que se suma un severo deterioro de la biosfera. Soñar no puede distraernos ni un milímetro de lo verdaderamente urgente: parar de manera drástica esta deriva y, en la medida de lo posible, revertir la situación, algo para lo que se necesita el concurso de toda la sociedad. Si de verdad nos preocupan las próximas generaciones, debemos trabajar todos juntos para garantizar que heredan un planeta sano en el que vivir. Esa es la prioridad absoluta.

Sobre el autor

Ana Campos

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