La humanidad se encuentra ávida de buenas noticias energéticas. Tras una pandemia de la que todavía estamos saliendo y de una guerra en el corazón de Europa que sigue causando estragos, la energía lleva meses apareciendo a diario en todos los medios de comunicación, en las redes sociales y en las conversaciones cotidianas.
El precio de la electricidad, del gas natural y del petróleo se han disparado, afectando gravemente a la economía de familias y empresas. Al mismo tiempo, la mitigación del calentamiento global parece haber pasado a un segundo plano de forma muy peligrosa, como ha demostrado nuevamente la última e inútil cumbre del clima en Egipto, sin un claro acuerdo para reducir el consumo de combustibles fósiles, principales causantes de la crisis climática según la ciencia. ¿A qué estamos jugando?
En ese contexto, Jennifer Granholm, Secretaria de Energía de Estados Unidos, anunció el 13 de diciembre de 2022 que el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore había conseguido un hito que probablemente aparecerá en los libros de historia de la ciencia: la ignición de la fusión nuclear. Unas horas antes del anuncio, intentando adelantarme al interés que despertaría el evento en las redes, publiqué un hilo que en pocas horas alcanzó los tres millones de visualizaciones en Twitter.
Mis previsiones se quedaron cortas. Los medios de comunicación de todo el mundo se afanaban por explicar la noticia, con menor o mayor acierto, dependiendo de a quién consultaran o de cuál fuera su objetivo, si informar o simplemente tener difusión. Pasados unos días del acontecimiento, y de forma más sosegada, vamos a conocer las claves para entender en qué consiste la ignición y sus posibles consecuencias.
La fusión nuclear
Empecemos, como suele ser más conveniente, por el principio. El objetivo de la fusión nuclear es reproducir en la tierra las reacciones nucleares que se producen en el interior de las estrellas y por supuesto en nuestro sol, una estrella más. La fusión nuclear consiste en la combinación de dos átomos de hidrógeno cuyo resultado es helio y una enorme cantidad energía. La forma más sencilla de conseguirlo en la Tierra es utilizando dos isótopos o variantes del hidrógeno, llamados deuterio y tritio.
El hidrógeno más habitual, también llamado protio, tiene un solo protón en el núcleo y un electrón en su órbita. El deuterio tiene dos partículas en el núcleo, un protón y un neutrón, mientras que el tritio tiene tres, un protón y dos neutrones. El resultado de la fusión del deuterio y el tritio es helio, que tiene dos protones y dos neutrones en el núcleo y la emisión de un neutrón. Si contamos el número de neutrones y de protones antes y después de la reacción nos aparece la misma cantidad, aunque repartidos de forma diferente.
Sin embargo, la masa combinada de las dos partículas emitidas, el núcleo de helio y el neutrón, es menor de la que tenían el deuterio y el tritio. Esta diferencia de masa, explicada por la famosa ecuación de Einstein (E=mc^2^), se convierte energía, por la que tanto el núcleo de helio y el neutrón se escapan con una enorme velocidad, que gracias a su masa se traduce en energía cinética, mucho más alta en el neutrón.
Para conseguir la fusión nuclear es necesario vencer la repulsión de los dos átomos de deuterio y tritio, que al tener cargas positivas se repelen. Si conseguimos acercarlos lo suficiente, una fuerza de atracción todavía mayor, pero de muy corto alcance, llamada interacci****ón nuclear fuerte consigue la fusión nuclear. En ese sentido, las estrellas lo tienen fácil, debido a su enorme fuerza de gravedad que comprime el hidrógeno de su interior y a la elevada temperatura, de unos 15 millones de grados Celsius. Es aquí cuando surgen las dos formas de intentar conseguir la fusión nuclear. En ambos casos se busca confinar el deuterio, ya sea mediante un confinamiento inercial o por confinamiento magnético.
Dos tipos de confinamiento
La fusión nuclear por confinamiento inercial consiste en calentar mediante láseres durante unos pocos nanosegundos un minúsculo objetivo, una esfera sólida de apenas dos milímetros de diámetro, que contiene deuterio y tritio. La liberación de energía se produce cuando la esfera explota y por la conservación del momento, las partes internas que contienen el deuterio y el tritio se comprimen y se produce la fusión nuclear. Este efecto ya se había conseguido en anteriores ocasiones, sin embargo se necesitaba suministrar más energía al objetivo de la que finalmente producía.
El hito anunciado en esta ocasión es que se inyectaron 2,05 megajulios al objetivo y se obtuvieron 3,15 megajulios de la fusión nuclear. Es lo que llamamos ignición, o también un factor Q (cociente entre la energía obtenida y la suministrada) mayor que uno. En este caso, el Q anunciado tiene un valor de 1,54. Aunque el anuncio no ha estado exento de polémica científica porque no se ha acompañado de un artículo científico donde se presenten los resultados, no se ha mostrado una revisión por pares, ni se ha replicado el experimento. Tendremos que esperar a ver estos resultados para tener una total confirmación de la consecución del objetivo.
El NIF
Este hito se ha conseguido en la Instalación Nacional de Ignición (NIF, por sus siglas en inglés), que es el laboratorio de láseres de alta energía más grande del mundo. Su construcción terminó en 2009, costando unos 3500 millones de dólares. Los 192 intensos rayos láser del NIF son capaces de inyectar en su objetivo más de 100 veces la energía de cualquier otro sistema láser anterior. Los experimentos en el camino hacia la ignición comenzaron en 2010 y esperaban conseguir la ignición en 2013. Sin embargo, no habían sido capaces de conseguirla hasta ahora, debido a múltiples factores, entre ellos conseguir una esfericidad sin imperfecciones en el objetivo.
El NIF se diseñó específicamente para conseguir este resultado (de ahí su nombre) y parece que al final lo ha conseguido, pero el proyecto se enfrenta ahora a dos enormes desafíos. El primero es la escalabilidad, de tal forma que pueda producir una cantidad de energía rentable y sostenida en el tiempo. Es importante señalar que para conseguir que funcionen los 192 láseres es necesaria mucha más energía que la que luego se obtiene de la fusión, por lo que el balance de todo el proceso sigue siendo deficitario, ya que se ha empleado más energía que la obtenida. El segundo reto es conseguir extraer la energía producida en la fusión para poder calentar agua, producir vapor, impulsar una turbina y producir energía electica mediante un generador.
Sin embargo, la mayoría de los esfuerzos para conseguir la fusión nuclear se centran en el segundo tipo de fusión, la realizada mediante confinamiento magnético. El deuterio y el tritio se calientan hasta una temperatura en la que los electrones se disocian y por tanto los núcleos tienen carga positiva (por tener protones en su núcleo y ausencia de electrones), convirtiéndose en un estado de la materia que llamamos plasma.
Un cuarto estado
En el colegio nos enseñaron que la materia se podía agregar en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Sin embargo, existe un cuarto estado de agregación en el que partículas carcadas eléctricamente forman un gas, lo que les confiere características muy peculiares. Aunque nos parezca extraño, la mayor parte de la materia visible en el universo es plasma, porque es de lo que están hechas las estrellas.
Una de las ventajas de un plasma es que al tener carga eléctrica que se puede controlar con un campo magnético en un reactor con forma toroidal llamado tokamak (una especie de donut hueco de diseño soviético). El inconveniente es que controlar y el plasma es muy complejo, por eso también se han desarrollado otros tipos de reactores, aunque nos centraremos en el tokamak por ser el más escalable.
El JET (Joint European Torus) es el mayor tokamak en funcionamiento del mundo y se encuentra en una vieja base de la RAF cerca de Culham, en las afueras de Oxford, Reino Unido. Empezó a funcionar en 1983, en 1991 consiguió fusionar deuterio con tritio y en 1997 lo hizo con un factor Q de 0,67. Tras varias vicisitudes y una remodelación culminada en 2011, se reanudó la experimentación. En diciembre de 2021, el JET consiguió producir 59 megajulios de energía durante 5 segundos, aunque todavía con un Q de 0,33.
El ITER y otros proyectos
En un magnífico ejemplo de colaboración, los científicos del JET trabajan conjuntamente con los del ITER, el Reactor Termonuclear Experimental Internacional, que se está terminando de construir en Cadarache. Se espera que en el ITER se consiga un Q de 10 durante tiempos considerablemente más largos que el JET, en torno a 10 minutos o más.
Es un enorme proyecto que se puede considerar verdaderamente universal, puesto que en el ITER están representadas las mayores potencias mundiales, incluyendo Estados Unidos, China, Rusia, India y la Unión Europea. No olvidemos que el propio Gorbachov fue el padre político de la fusión nuclear, proponiendo la colaboración a Ronald Reagan en su primer encuentro en Ginebra, en 1985.
El deuterio para la fusión nuclear se pude obtener de forma relativamente sencilla y barata del agua del mar. Sin embargo, para producir tritio necesitamos fabricarlo en el propio reactor tokamak, que contiene una especie de mantas de litio que absorben los neutrones emitidos durante las fusiones y transmutan en tritio, que contribuye a generar nuevas fusiones.
El bombardeo masivo de los materiales estructurales con neutrones supone un gran desafío para los diseñadores de los reactores de fusión, porque los metales se debilitan con la radiación neutrónica y cambian sus propiedades. Por eso es tan importante el proyecto IFMIF-DONES, que muy probablemente se instalará en la localidad granadina de Escúzar, donde un acelerador de partículas experimentará con diferentes materiales.
Mayor financiación
Al mismo tiempo, ese bombardeo de neutrones será esencial para extraer la energía necesaria de la fusión para calentar agua mediante algún tipo de intercambiador, producir vapor, mover una turbina acoplada a un generador y finalmente producir electricidad. El siguiente reactor después del ITER deberá ser capaz de demostrar que es posible producir energía eléctrica con un reactor de fusión nuclear.
En vista de todo lo explicado, aunque se haya conseguido un factor Q positivo mediante el confinamiento inercial, el confinamiento magnético tiene mejor resuelta la extracción del calor y la escalabilidad, de forma que pueda servir para generar electricidad de forma constante, sostenible y segura, el verdadero objetivo de la investigación en la fusión nuclear.
La pregunta que sigue sin respuesta es cuándo conseguiremos que la fusión nuclear sea viable y rentable, es decir, cuándo tendremos una central comercial de fusión nuclear, muy probablemente varias décadas. La buena noticia al respecto es que está aumentando la financiación tanto pública como privada para conseguirlo. Los investigadores en fusión coinciden en que con una mejor inversión los plazos se acortarían. Y finalmente me despido con un dato para la reflexión: el ITER costará nueve veces menos que el Mundial de Fútbol de Qatar.
Alfredo García es un divulgador sobre energía nuclear, conocido como @OperadorNuclear en las redes sociales, y posee licencia de supervisor en la central nuclear de Ascó.
Erik
19/12/2022