El Departamento de Energía de EE. UU. anunció este martes (13.12.2022) un gran avance científico en el ámbito de la tecnología de fusión nuclear. Los investigadores de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, de California, lograron por primera vez una “ganancia de energía neta” utilizando la fusión nuclear en un laboratorio.
“Este es un hito histórico para los investigadores y el personal de la Instalación Nacional de Ignición, que han dedicado sus carreras a hacer realidad la fusión nuclear, y este hito sin duda conducirá a más descubrimientos”, dijo la secretaria de Energía de EE. UU., Jennifer M. Granholm. “En pocas palabras, este es uno de los logros científicos más impresionantes del siglo XXI”, afirmó.
Durante décadas, los investigadores han invertido más energía en reactores de fusión experimentales que el total de nueva energía obtenida por el proceso. Estos contratiempos han resultado en que sea la fisión -y no la fusión, a pesar de los riesgos para la salud y la seguridad- la que se ha convertido en el método estándar para conseguir energía ilimitada y limpia.
El 5 de diciembre de 2022, los científicos de la NIF realizaron el primer experimento de fusión controlada de la historia, obteniendo más energía por la fusión que la energía invertida. Los investigadores lograron así un paso más hacia la generación de energía a gran escala.
El “futuro de la energía”
La fusión nuclear tiene más potencial energético que cualquier otra fuente de energía conocida. Puede liberar casi cuatro millones de veces más energía que las reacciones químicas como la combustión de carbón, de petróleo o gas, y cuatro veces más que la fisión nuclear, el proceso que se utiliza actualmente en todas las centrales nucleares del mundo. Muchos políticos consideran que la fusión nuclear, descubierta a principios del siglo XX, es la energía del futuro, sobre todo en Europa.
Pero, ¿es la fusión nuclear en verdad una alternativa “verde” a nuestros métodos actuales? Y ¿hasta dónde hemos llegado en términos de generación de electricidad con este método?
Como “la combustion de leña”
Para conocer un proyecto de estas características, vale la pena visitar el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER, por sus siglas en inglés) en el sur de la costa francesa, un gran proyecto conjunto que involucra a expertos en fusión nuclear de 35 países.
Pietro Barabaschi, director general del ITER, cree que el futuro de la energía de fusión nuclear es muy prometedor. Y lo explica comparando la producción de energía de fusión con la quema de leña: “Primero se enciende una llama, la madera se calienta y, en algún momento, se produce una reacción química. Esa reacción es suficiente para quemar el resto de la madera”.
Generar energía a través de la fusión nuclear
Los átomos están formados por un núcleo (con protones y neutrones) y electrones. La fusión nuclear tiene lugar cuando se unen dos átomos, deshaciéndose sus núcleos. Este proceso genera un exceso de energía que los científicos especialistas en fusión nuclear quieren convertir en electricidad.
Técnicamente, de hecho ya usamos energía de neutrones que se mueven con rapidez en plantas de energía de fisión nuclear. ¿Por qué no lo seguimos haciendo entonces?
¿Qué es fusión y fisión?
A diferencia de la fusión nuclear, la fisión no fusiona dos átomos ligeros, sino que divide un átomo pesado en dos o más átomos.
Todas las centrales nucleares del mundo utilizan reactores de fisión para generar electricidad. Francia, donde se encuentra ITER, obtiene el 70 por ciento de su energía a partir de la fisión nuclear. Sin embargo, la fisión nuclear no es una fuente popular de combustible en muchos países debido a las posibles emisiones de radioactividad en accidentes nucleares, como, por ejemplo, los de Chernóbil o Fukushima.
La principal diferencia entre fisión y fusión es la radiactividad del combustible producido por ambos procesos, explica Akko Maas, responsable de conocimientos de ITER: “En la fisión nuclear, tanto el uranio utilizado como el plutonio producido son radiactivos. Y una vez que se les extrae la energía, todavía queda material radiactivo”.
Ambas materias primas, consideradas las más eficientes para la energía de fusión, el deuterio no es radiactivo, mientras que el tritio sí; su radiación, sin embargo, es, en comparación, débil y de corta duración.
“Si se eligen los materiales correctamente, incluso a escala industrial, se puede limitar la radiactividad en la fusión de 100 a 200 años, que es mucho más manejable que los 40.000 años que observamos en la fisión nuclear”, dice Maas.
La ventaja “verde”
Los partidarios de la energía nuclear no solo afirman que es muy eficiente, sino que podría reducir drásticamente la dependencia de los combustibles fósiles. La energía nuclear en sí misma se considera una alternativa de carbono cero en comparación con los combustibles fósiles, porque al generarse no se emite gases de efecto invernadero; su principal subproducto es el helio, un gas inerte y sin toxicidad.
Además, el deuterio es abundante en el agua de mar. Por esta razón, los investigadores intentan generar tritio in situ con litio.
Las fuentes de energía renovables, como la eólica y la solar, no pueden satisfacer todas las necesidades energéticas básicas globales. La fusión nuclear, si tiene éxito, podría ofrecer mucho más.
Todo eso suena bien, pero es aún un reto lejano. Para que la fusión nuclear se convierta en realidad, se necesita un gran avance tecnológico en la física del plasma.
El plasma se apaga
“Técnicamente es difícil obtener una reacción de fusión que sea autosuficiente y estable”, dice Barabaschi.
Los rayos del sol y el calor que sentimos en la Tierra son el resultado de una reacción de fusión: el proceso tiene lugar en el núcleo del sol a temperaturas y presiones extremas. El reto en este caso es reproducir lo que está sucediendo en el núcleo solar, pero sin la presión originada por la atracción gravitatoria de la pesada masa solar.
Para lograr la fusión en la Tierra, deben calentarse los gases a temperaturas muy altas, alrededor de 150 millones de grados centígrados, una diez veces la temperatura del núcleo solar. Entonces, los gases se convierten en plasma, casi un millón de veces más ligero que el aire que respiramos.
Los investigadores de fusión han descubierto que crear un plasma, calentando una mezcla de deuterio y tritio, es la forma más sencilla de preparar un entorno en el que pueda tener lugar una fusión y, por lo tanto, generar energía.
En ITER, el plasma utilizado para los experimentos de fusión está confinado en un generador de energía llamado tokamak, delimitado por un fuerte campo magnético. Bajos estas condiciones extremas, las partículas de plasma chocan con rapidez y generan calor. Sin embargo y paradójicamente, la tasa de colisión, es decir, el efecto de calentamiento, disminuye a medida que la temperatura sigue aumentando.
“Es como si el plasma se apagara en un momento determinado”, dice Barabaschi.
Volviendo al ejemplo de la madera: es como si se desconociera cómo avivar un fuego que mantenga “al plasma ardiendo “. Este es el mayor desafío al que se enfrentan los experimentos de fusión en todo el mundo.
En el sur de Francia, en el centro ITER, se construirá un reactor de fusión nuclear. En la imagen, el prototipo.
Impacto limitado de fuga
“Apagar” el plasma en condiciones adversas también significa que la reacción se detiene en caso de inestabilidad. Esto hace que la fusión sea más segura que la fisión, según los expertos.
Una fusion del núcleo, como la de Fukushima, es poco probable en un reactor de fusión, según Gilles Perrier, jefe del departamento de seguridad y calidad de ITER. En un reactor de fisión habría un núcleo radiactivo, que tendría que enfriarse en caso de que el reactor se apagara.
“Con la fisión nuclear, el riesgo de un accidente es mucho mayor. Con la fusión, es muy bajo”, dijo Perrier.
En su opinión, la seguridad en una instalación de fusión consta de tres partes: confinamiento del plasma, reducción del nivel de radiación y prevención de contaminación por tritio.
El plasma se aisla en un recipiente al vacío.”Incluso en el peor de los casos de una fuga de plasma, el impacto in situ es limitado”, dice.
Del experimento a la electricidad
Hasta ahora, los investigadores han podido generar un máximo de 59 megajulios de energía a partir de la fusión en cinco segundos. Se trataría de la electricidad generada para alimentar una pequeña bombilla durante dos meses.
El próximo reto es cómo generar electricidad a una escala mucho mayor.
Barabaschi opina que pasar de un experimento de fusión a un reactor, que produzca electricidad, es como pasar de quemar madera a una central eléctrica de carbón.
Él confía en que el reactor experimental del ITER esté operativo a finales de esta década y pueda ayudar a construir una central eléctrica de demostración durante los próximos 30 años.
La energía de fusión no puede resolver la crisis energética de este invierno, ni ayudará a reducir las emisiones en el futuro cercano. En su libro “The Fairy Tale of Nuclear Fusion” o “El Cuento de Hadas de la Fusión Nuclear”, el científico nuclear LJ Reinders argumenta que la energía de fusión llegará demasiado tarde para abordar nuestros problemas climáticos más acuciantes. Barbaschi, por su parte, cree que las inversiones en fusión nuclear no son para satisfacer nuestras necesidades energéticas de la actualidad, sino las de la segunda mitad del siglo.
