El
anuncio de que se ha conseguido generar en un proceso de fusión más energía de
la empleada en lograrla, ha desatado el optimismo de los mal informados.
Desengañémonos: resolver nuestras carencias energéticas así está muy, muy,
lejos de ser posible.
¿Un paso adelante hacia los reactores de fusión?
El Viejo Topo
12 enero, 2023
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
= m∙c2, 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).
Traducción: viento sur.
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