Energía: ¿Un paso adelante hacia los reactores de fusión?

por Jacques Treiner

El 5 de diciembre, la National Ignition Facility (NIF) del laboratorio nacional federal Lawrence Livermore en California anunció un avance importante en materia de fusión nuclear: por primera vez, los físicos han logrado producir más energía que la que han invertido en provocar la reacción de fusión. “La reacción de fusión [del plasma de núcleos de deuterio y de tritio] en la instalación del gobierno estadounidense ha generado alrededor de 2,5 megajulios de energía, es decir, alrededor del 120 % de los 2,1 megajulios de energía de los rayos láser”, informa el diario británico Financial Times. Una instalación similar existe en Francia en el CEA de Burdeos con el Láser megajulio.

¿Cuánto representan 2,5 megajulios de energía? Un kWh equivale a 3,6 megajulios, de modo de la energía de que estamos hablando equivale a 0,7 kWh. Esto representa lo que una persona es capaz de aportar como esfuerzo muscular en un día, por ejemplo alguien que acciona una dinamo de 100 W durante un día: todavía estamos lejos de una producción industrial de electricidad…

Porque a fin de cuentas se trata de producir electricidad. La electricidad es un movimiento de electrones en el interior de un conductor. Para ello se utiliza una de las leyes fundamentales de la naturaleza, que establece que cuando se desplaza un imán delante de un circuito de un metal conductor, los electrones del metal se ponen en movimiento. Si no queremos tener que mover el imán a mano, hace falta una máquina que lo haga por nosotros.

En una central eléctrica clásica, el movimiento rotativo de los imanes se realiza mediante una turbina de vapor. Por consiguiente, hay que producir este vapor, o dicho en términos que nos son más familiares, poner a hervir agua con ayuda de una fuente de calor. Este es el punto en que se diferencian las centrales: la fuente de calor puede obtenerse quemando carbón o gas o fisionando núcleos de uranio. El proyecto en el que se inscribe la fusión consiste en generar el calor necesario haciendo que se fusionen dos isótopos de hidrógeno, el deuterio y el tritio. La fusión es la manera más sofisticada de generar calor para hacer que hierva el agua…

También es la más eficaz, en el sentido de que es la que consume la menor cantidad del recurso. Si definimos la concentración de una fuente de energía por la cantidad de materia que hay que transformar para generar una determinada cantidad de energía, la fusión es cuatro veces más concentrada que la fisión, que a su vez es millones de veces más concentrada que una fuente química. Para formarnos una idea, hacer funcionar una central de fusión –si se consigue alguna vez– de 1 GW durante un año solo se precisará un centenar de kilos de deuterio y tritio, mientras que un reactor actual requiere 27 toneladas de uranio y una central de carbón de la misma potencia, 260 toneladas de carbón cada hora. Si utilizamos energía eólica o solar, que son las fuentes menos concentradas, necesitaremos instalar 1.000 aerogeneradores de 5 MW o 30 kilómetros cuadrados de paneles solares fotovoltaicos, aparte de tener que gestionar la intermitencia de su producción. Desde el punto de vista de la preservación de los recursos naturales e incluso de la reducción de residuos, la fusión es la gran campeona.

Pero hoy estamos lejos, muy lejos, de ser capaces de producir electricidad a partir de la fusión nuclear

Veámoslo más en detalle.

A menudo se lee que realizar la fusión en la Tierra es como reproducir el Sol en un reactor. De hecho, el origen de la radiación solar que nos llega permanentemente se halla en las reacciones de fusión que se producen en el centro del astro. Cada segundo se fusionan 620 millones de toneladas de hidrógeno para generar 615,5 millones de toneladas de helio, y la diferencia de masa m aparece en forma de radiación, cuya energía E viene dada por la ecuación de Einstein E = mc2, donde c designa la velocidad de la luz. Una parte de esta energía mantiene la temperatura en el centro en unos 15 millones de grados, el resto escapa por la superficie, que se halla a 5.780 °C. El hecho de que esta masa gaseosa no se expanda por el espacio se debe a la gravitación, que gracias a la masa del astro contrarresta la presión del gas. El Sol es por tanto un reactor de fusión con confinamiento gravitacional.

Sin embargo, en la Tierra, ¿cómo evitar que el plasma explote tan pronto se desencadenen las reacciones de fusión? ¿Cómo forzar que los dos núcleos se fusionen, puesto que al tener ambos una carga eléctrica positiva, se repelen? Dos pistas: el confinamiento inercial y el confinamiento magnético.

El confinamiento inercial (el que es objeto del anuncio) consiste en proyectar sobre una pequeña cápsula que contiene una mezcla de deuterio-tritio haces de rayos láser de muy alta potencia, que comprimen los gases y los calientan a una temperatura muy elevada. Alta temperatura implica velocidades muy elevadas, lo que permite compensar la repulsión entre cargas eléctricas del mismo signo. El confinamiento magnético (que es el que funciona en particular en la máquina ITER instalada en Cadarache, en el Joint European Torus (JET) en Inglaterra o en el TFTR de Princeton) consiste en atrapar los núcleos de deuterio y tritio mediante un campo magnético intenso dentro de una cámara en forma de neumático (un toroide). Las reacciones de fusión han de producirse en el interior del plasma en rotación, cuya turbulencia hay que lograr controlar.

¿Qué etapas hay que superar antes de poder disponer de reactores industriales? Hace falta producir tritio, recuperar la energía de la reacción y disponer de materiales capaces de resistir un flujo de neutrones altamente energéticos. Veamos esto.

La fusión de un núcleo de deuterio y de un núcleo de tritio genera un núcleo de helio y un neutrón. El deuterio existe en estado natural (unos 32 g/m3 en el agua de mar), pero no así el tritio, que es inestable. Por tanto, es necesario producirlo in situ. Para ello está previsto utilizar los neutrones, altamente energéticos, generados por la reacción de fusión, a fin de romper núcleos de litio que circulan en la pared del recinto. Sin embargo, dado que no todos los neutrones servirán para ello, hace falta primero multiplicarlos provocando una reacción de fisión en berilio. Se adivina la complejidad de dicha pared.

En cuanto a la energía, la del Sol aparece en forma luminosa, pero la de un plasma lo hace en forma de energía cinética de los núcleos de helio y de los neutrones. ¿Cómo recuperarla? La dificultad radica en que su energía es suficiente para desencadenar las reacciones de fusión de los núcleos que constituyen la pared del recinto (acero). Incluso en una máquina de confinamiento magnético, los neutrones, desprovistos de carga eléctrica, son insensibles al campo magnético y por tanto chocan contra la pared. Las reacciones que tienen lugar en ella generan radioactividad alfa, es decir, núcleos de helio, que migran dentro de la pared a alta temperatura, se aglomeran en forma de burbujas que hacen que aquella se hinche y se vuelva porosa. Ahora bien, ¡es fundamental que la pared sea estanca! Estanca y porosa a la vez, he aquí una contradicción que hoy por hoy nadie sabe resolver.

Esta cuestión de la resistencia de los materiales al flujo de neutrones altamente energéticos (unas diez veces más que los producidos en una central de fisión) es tan crucial que se ha previsto construir una máquina especialmente dedicada para ello, la IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility). Si no se resuelve el problema de los materiales, nunca tendremos un reactor: dicen que la fusión es como tener el Sol en la cocina. Pero ¿y si no sabemos cómo construir la cacerola…?

Las grandes etapas que quedan por recorrer son las siguientes: para generar electricidad no basta producir más energía que la que se consume durante las descargas de rayos láser, intensas pero breves, sino que hay que hacerlo de modo continuo. Esta etapa está reservada a otra generación de máquinas, de las que se espera que permitirán obtener una tasa de retorno energético del orden de 10, es decir, recuperar diez veces más energía que la invertida en el funcionamiento de la instalación. Superada esta etapa, habrá que realizar un prototipo industrial de reactor y proceder a una producción en masa. Teniendo en cuenta las dificultades del conjunto del proyecto, resulta difícil plantear la constitución de una rama industrial antes de la segunda mitad o incluso del final de este siglo.

Concluyamos

Es cierto que la fusión representa la forma más concentrada de energía, es decir, la más económica desde el punto de vista de los recursos. También es segura, pues la cantidad de combustible presente en el recinto en todo momento es muy baja y no hay riesgo de perder el control. También es cierto que la fusión evitaría la producción de los residuos de alta actividad y larga vida de los actuales reactores de fisión.

El punto más débil afecta evidentemente al desafío climático. Contar con la fusión para sustituir las fuentes de energía fósiles y descarbonizar nuestras sociedades equivale a renunciar a toda acción consecuente para limitar el calentamiento del planeta, no a 2 °C, sino a ¡3 o 4 °C! El clima de 2030 o 2040 ya no lo podemos cambiar, porque viene determinado por la cantidad de gases de efecto invernadero que se ha emitido hasta ahora, y lo que vamos a emitir hasta entonces no supondrá más que una pequeña corrección. Pero el de la segunda mitad del siglo depende de lo que hagamos hoy y en los próximos años.

La fusión no se encuentra dentro de la temporalidad de la acción climática. Ciertos críticos de la perspectiva de la fusión como fuente de energía limpia e ilimitada dicen con humor: la fusión es la fuente de energía del futuro, y siempre lo será… (Fusion is the energy source of the future, and it will always be).

(Tomado de viento sur)

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