Energía nuclear de fusión: avanzando... a su ritmo

Resolver el problema más endiablado del sistema solar se toma su tiempo.

A lo largo de los años, son muchas las personas que han ido quedando decepcionadas con la energía nuclear de fusión. Y es normal: se ofreció mucho y... no se ha puesto nada tangible encima de la mesa. Bueno, sí: las bombas de hidrógeno. Esas sí llevan funcionando desde el primer día, capaces de encender un sol sobre una ciudad a lo largo de toda la Guerra Fría y hasta la actualidad. Muchos no acaban de tener claro que un arma que se encuentra en el núcleo de nuestra capacidad para aniquilarnos a nosotros mismos sea un verdadero progreso, pero es lo que hay. Todo lo que hay. Eso es lo que sabemos hacer por el momento, en la práctica, con la energía nuclear de fusión.

El asunto, además, ha ido quedando contaminado con afirmaciones un poquito insensatas de algunos científicos, antiguamente prometiéndonos energía ilimitada, segura y limpia para todos a precio de risa, incluso montada directamente en los coches; y luego con el temita de la fusión fría, que no es posible por motivos que explicaré en un artículo futuro pero sin duda ha contribuido a introducir aún más dudas y sospechas sobre toda la cuestión. Unos piensan que realmente la energía nuclear de fusión no tiene futuro en ningún periodo practicable, y otros que está siendo suprimida por grandes intereses petroleros, estatales, etcétera.

La pura verdad es que el problema es más peliagudo de lo que pensábamos en un principio. Hacer un arma nuclear de fusión instantánea resultó ser relativamente fácil, y ahí llevan en servicio desde hace más de cincuenta años. El problema, pues, no es la fusión en sí, sino la contención y el aprovechamiento. Dicho en otras palabras: sabemos desde hace mucho cómo producir la misma energía que los soles, pero no cómo hacerlo poquito a poco y de manera aprovechable como fuente energética, más allá de formar un cráter donde antes había una ciudad.

La cuestión, pues, es precisamente contener esas abrumadoras cantidades de energía y convertirlas en electricidad para su distribución por las redes civiles. Para que el hidrógeno alcance la fusión, tiene que estar en estado plasmático; no hay otra. ¿Recuerdas aquello de los tres estados de la materia: sólido, líquido, gaseoso? Bueno, pues en realidad son cuatro: sólido, líquido, gaseoso, plasma. Repasemos: en los sólidos, los átomos y moléculas están firmemente bloqueados entre sí por fuerzas intensas y no pueden moverse libremente, sino tan sólo vibrar. En los líquidos, estas fuerzas unificadoras son más débiles y estos átomos o moléculas pueden vibrar y además moverse con respecto a los demás. En los gases, los átomos y moléculas tienen mucha energía cinética mientras que las fuerzas solidificantes son débiles, con lo que van a su aire, llenando todo el espacio disponible.

El plasma consiste en una variante particular del estado gaseoso, donde al menos una parte de las partículas están ionizadas hasta el punto de conducir la electricidad. Las fuerzas dominantes en un plasma son las electromagnéticas, no las leyes convencionales de los gases, hasta el punto de que se comporta de una manera totalmente distinta a la de un gas y por eso se considera un estado diferente de la materia. Pero este estado sólo resulta posible a elevadas temperaturas y presiones. Poca cosa: unas decenas de millones de grados centígrados. Por cierto que es el más frecuente del universo: la mayor parte de la materia está concentrada en las estrellas, y la materia de las estrellas está en estado plasmático.

En las estrellas, como nuestro sol, la fusión y la contención se obtienen a la vez de manera natural por la gran cantidad de hidrógeno que hay allí: simplemente, la enorme gravedad ocasionada por tanta materia junta la obliga a comprimirse sobre sí misma en forma de una esfera hasta que por temperatura-presión entra en estado plasmático y se activa la fusión. A partir de ese momento se mantendrá en un punto de equilibrio entre la explosión de la fusión y la compresión de la gravedad. Así, seguirá transmutando hidrógeno en helio durante una porrada de millones de años para producir grandes cantidades de energía. Eso es una estrella, un sol.

Obviamente, nosotros no podemos –más bien no debemos– meter todo ese hidrógeno en el planeta Tierra y luego encender una estrella alrededor del mismo.  :-P Tenemos que apañarnos con cantidades mucho más pequeñas, radicalmente insuficientes para cualquier clase de autocontención gravitacional.

En un arma termonuclear, que sólo tiene que producir energía instantánea, el asunto se resuelve de la manera más expeditiva: hay una pequeña bomba atómica por fisión de plutonio –el primario– que al estallar pone en estado plasmático y además contiene durante unos nanosegundos por presión neutrónica un contenedor o secundario de hidrógeno –frecuentemente en forma de deuteruro de litio o liddy– mientras se completa su fusión. Después, la "gracia" de un arma, claro, es que no haya contención alguna, sino que toda esa avalancha de energía de fusión se libere a saco para convertir a unos cuantos millones de desdichados en contaminación ambiental.

Sin embargo, si queremos contener ese mismo plasma dentro de una central energética y hacer que vaya soltando toda esa energía a un ritmo utilizable para transformarla en electricidad hacen falta unas tecnologías especiales que aún no hemos logrado desarrollar en suficiente medida.

Con vistas a resolver este problema, y reflejando el espíritu de la Guerra Fría, norteamericanos y soviéticos arrancaron por caminos distintos. Los Estados Unidos apostaron por la contención inercial, que muy a grandes rasgos consiste en hacer perdigones de hidrógeno (deuterio y/o tritio) y dispararles un láser o cualquier otro haz de alta energía de modo que la fusión de las capas exteriores del blanco vaya autoconteniendo la de las interiores mientras se completa la reacción.

Fusión por confinamiento inercial. Un perdigón de deuterio-tritio se encuentra en el centro de una cámara de implosión donde es alcanzado por numerosos haces sincrónicos de alta energía (por ejemplo, láseres de elevada potencia). El color azul representa estos haces de radiación, el naranja la liberación de energía de fusión y el violeta, el transporte de energía térmica hacia el interior.

1. Haces láser o de rayos X inducidos por láser calientan rápidamente la superficie del blanco de fusión (perdigón), formando un plasma que lo envuelve.
2. El perdigón de combustible es comprimido por la liberación de energía de fusión en el material superficial, que se comporta como un cohete que comprime su núcleo desde todas direcciones.
3. Durante la fase final de la implosión, el núcleo del perdigón alcanza 20 veces la densidad del plomo y fusiona a cien millones de grados centígrados.
4. La ignición termonuclear se expande rápidamente a lo largo del combustible así ultracomprimido, liberando mucha más energía que la utilizada en todo el proceso.

A pesar de sus prometedores éxitos iniciales, pronto surgieron problemas de difícil resolución. No sólo resulta complicado montar un montón de láseres de manera que ataquen el blanco simultáneamente con simetría perfecta, sino que la menor anisotropía entre haces y en el mismo plasma así generado provoca que el propio perdigón se niegue a comportarse de manera homogénea, cayendo en las inestabilidades de Rayleigh-Taylor. Como resultado, la fusión por contención inercial resulta errática, poco eficiente y débil. Cuarenta años después de su nacimiento, no ha sido capaz de producir ningún resultado claro, y mucho menos de generar más energía de la que consume.

La Unión Soviética apostó por la contención magnética, con los reactores TOKAMAK del Instituto Kurchatov de Moscú. TOKAMAK es el acrónimo en ruso de toroidal'naya kamera s magnitnymi katiushkamy, que en cristiano de aquí viene significando "cámara toroidal a bobinas magnéticas". Y es, básicamente, lo que asegura su nombre: una estructura hueca en forma de donuts compuesta por potentes bobinas electromagnéticas. Este dispositivo aprovecha la fuerza de Lorentz para mantener las partículas plasmáticas cargadas en un anillo de contención magnética mientras se produce su fusión.

En 1968, la unidad TOKAMAK T-4 de Novosibirsk alcanzó la primera reacción de fusión cuasiestacionaria, con temperaturas electrónicas superiores a 1.000 electronvoltios. Cuando lo anunciaron en una conferencia de la Agencia Internacional de la Energía Atómica, los norteamericanos y británicos no se lo creían: estaba un orden de magnitud por encima de lo que ellos eran capaces de generar. Pero pronto se convencieron, y al poco el mundo entero estaba construyendo reactores de diseño TOKAMAK (o su variante el stellarator). Nacieron así el DIII-D norteamericano, el JT-60 japonés y el JET europeo, entre otros muchos. Sobre la base TOKAMAK se ha podido recuperar hasta el 70% de la energía total utilizada para causar la fusión, y se espera alcanzar el 101%: el momento en que el reactor producirá más de lo que consume, convirtiéndose así en una fuente viable de energía. El ITER que Europa construye ahora mismo en Cadarache (Francia) es, también, un diseño TOKAMAK por contención magnética.

 

Confinamiento magnético: nterior de la cámara toroidal del TOKAMAK europeo JET. A la izquierda en parado, a la derecha con circulación de plasma de mediana energía (BNES YGN).

De todas formas, la contención inercial no está aún muerta: la National Ignition Facility norteamericana, de los Laboratorios Nacionales Lawrence Livermore, ha sido inaugurada hace poco. Francia está montando el Laser Mégajoule, y hasta Rusia viene explorando también esta vía desde tiempos soviéticos con sus ISKRA de lo que fuera Arzamas-16 y ahora llaman Sarov; se espera que el ISKRA-6 alcance el nivel energético de estos otros dos durante la próxima década. El trabajo con su masivo TOKAMAK T-15 de contención magnética ha sido derivado a la cooperación internacional ITER.

Pero, ¿por qué es tan diabólicamente difícil? ¿Qué es lo que hace que aún no tengamos energía nuclear de fusión, abundante, limpia y barata?

• El consumo de todos esos láseres o campos magnéticos es monumental. El objetivo ideal sería alcanzar un factor de ganancia Q infinito, donde la reacción es capaz de mantenerse a sí misma como hace en las estrellas, sin necesidad de aporte energético externo (aunque las estrellas hacen trampa: cuentan con su propia gravedad). Hay que llegar por lo menos a Q = 5 y preferiblemente a Q = 20 para que el equipo produzca mucha más energía de la que se gasta. En la actualidad, aún no se ha podido llegar mucho más allá de Q = 1,25.
• El diseño de contención inercial por haces de partículas de alta energía presenta inmensos problemas de anisotropía de la radiación y del plasma, incluyendo las ya mencionadas inestabilidades de Rayleigh-Taylor en cuanto la reacción comienza a producirse. Resulta complejo luchar contra leyes fundamentales de la física que determinan el caos plasmático.
• El diseño de contención magnética del tipo del TOKAMAK, aunque más prometedor y extendido, tiene también sus propias dificultades. Entre ellas, se encuentra la durabilidad de los materiales interiores de la cámara toroidal, enfrentados a temperaturas equivalentes a trescientos millones de grados centígrados durante varios minutos; el equilibrio magnético interior del plasma debe ser perfecto y exactamente axial (la menor carga espuria lo hará caótico); y también presenta problemas de contaminación interior por hollines.
  
• El comportamiento de los plasmas de alta energía es esencialmente caótico y cae con facilidad en regímenes de inestabilidad autoamplificada. Hace falta más física y más matemáticas de las que tenemos para comprender en profundidad la manera como esto sucede y, en caso necesario, cómo se puede corregir. El acelerador LHC puede ser de mucha utilidad para entender la naturaleza y conducta íntima de los plasmas y otras formas anómalas de la materia en semejantes rangos de energía.
• El flujo neutrónico dentro de un reactor de fusión es enorme, muchas veces mayor que el que hay en el corazón de una bomba atómica. Por efecto Wigner, estas avalanchas neutrónicas debilitan rápidamente los materiales circundantes, ya de por sí sometidos a temperaturas diez veces superiores a la del núcleo del sol. La durabilidad de los componentes interiores de un reactor de fusión está gravemente comprometida si no se encuentra alguna manera práctica de apantallar o reducir estos flujos neutrónicos.
• No se conoce aún un mecanismo práctico para convertir o almacenar toda esa energía en forma de electricidad. Las tecnologías presentes de cambiadores de calor son insuficientes o inútiles en este caso, y las aproximaciones realizadas hasta el momento en este sentido sufren de una eficiencia muy baja.
  

Sin embargo, sus beneficios como posible fuente de energía futura son tan abrumadores que realmente merece la pena seguir trabajando en esta dirección:

• La energía nuclear de fusión utiliza como combustible el elemento más común del universo: hidrógeno. También es un elemento muy común en el planeta Tierra, y se encuentra disponible en grandes cantidades en el agua de los mares y océanos. Aunque separar químicamente el hidrógeno del agua y convertirlo en los isótopos deuterio y tritio necesarios tiene un gasto energético y económico elevado, la posibilidad de transformarlo íntegramente en energía según la conocida ecuación física E = mc² puede obtener rendimientos muchos órdenes de magnitud mayores. Todo el mundo es capaz de obtener este combustible con instalaciones relativamente sencillas.
• El subproducto resultante de la fusión del hidrógeno no es otra cosa que helio, un gas noble e inerte que no es radiactivo ni tóxico. Desaparecería así el problema de los residuos nucleares de alta actividad, sustituidos por un gas valioso para la industria. Es tan limpia como una energía renovable, con la fiabilidad y estabilidad de la energía nuclear.
  
• El accidente más grave imaginable en una planta nuclear de fusión sería una fuga total de tritio radiactivo, que debido a las pequeñas cantidades utilizadas se habría disuelto en el aire a concentraciones seguras incluso antes de salir del recinto de la central. Por la naturaleza intrínseca de un reactor de fusión, no son posibles los embalamientos de alta energía que causaron accidentes como el de Chernóbyl o Isla Tres Millas.
• El coste de producción es radicalmente inelástico. Los molinos eólicos, por ejemplo, se vuelven progresivamente menos rentables conforme los lugares más idóneos para su instalación quedan ocupados y es preciso ir poniéndolos en lugares peores. El petróleo, el uranio y el gas natural deben ser desplazados desde donde se producen hasta donde se utilizan, con costes de extracción, transporte y refinado incrementales. Una planta nuclear de fusión es igualmente idónea esté donde esté, y los costes de transporte del combustible y el residuo son ridículos.
  
• La cantidad de energía producida por cada kilogramo de combustible es abismalmente alta, muchos órdenes de magnitud mayor que la de la energía nuclear de fisión y cualquier otra alternativa renovable o no.
• Algunos problemas mayores de la humanidad, como el déficit de agua potable o las grandes crisis energéticas, tienen fácil solución si se dispone de grandes cantidades de energía barata y limpia.
  
• Aunque no sea renovable en sentido estricto, tiene mejores características de disponibilidad, limpieza y ecología que las energías renovables. El hidrógeno está por todas partes en este universo y su fusión no produce ningún gas de efecto invernadero que pueda contribuir al calentamiento global, no produce sustancias contaminantes en cantidades significativas, y además tampoco depende de la meteorología ni ningún otro factor impredecible para su producción.

Por todo ello, la humanidad debe seguir investigando en energía nuclear de fusión. Por el momento, en el ITER de Cadarache se esperan alcanzar los siguientes objetivos durante las próximas dos décadas:

• Producir momentáneamente diez veces más energía térmica mediante calentamiento por fusión de la que se consume en el proceso (Q = 10).
• Producir un plasma estacionario que produzca cinco veces más energía de la que consume en su totalidad (Q = 5), justo en la frontera del rendimiento aprovechable.
  
• Mantener un pulso de fusión durante al menos ocho minutos.
• Encender un plasma en combustión (capaz de sostener su propia fusión).
• Desarrollar las tecnologías necesarias para una planta de fusión viable, incluyendo los magnetos superconductores con su manto protector de alta resistencia térmica y neutrónica, así como los manipuladores robóticos y las técnicas cotidianas. "Escribir el manual."
• Verificar los conceptos teóricos de realimentación del tritio.
• Refinar los blindajes neutrónicos y las tecnologías de conversión de calor por neutrones rápidos en electricidad.

Seguramente, la humanidad podrá aguantar hasta 2050 con las fuentes energéticas actuales. Pero no mucho más allá. Si las agotamos hasta el extremo, dejaremos a nuestros hijos y nietos un planeta exhausto, contaminado y con costes energéticos altísimos que les condenarán a la miseria y la decadencia. Estaría bien que para el 2050-2070 les pudiéramos también dejar como herencia las bases para disponer de una verdadera fuente de energía cósmica, inagotable, limpia y segura, que les permita burlarse alguna vez de sus torpes y sucios antepasados mientras avanzan hacia su propio fututo apoyándose en ella; hacia una civilización de nivel II de Kardashev o donde sea que quieran llegar. La misma energía del sol y las estrellas, sólo un poco menos eficiente que la antimateria, disponible para siempre. O, al menos, hasta la Era de los Agujeros Negros. Y para entonces, es muy posible que ya no tengamos esta clase de preocupaciones. Si tal es la herencia que les queremos dejar, debemos ir despabilándonos ya.

Puedes descargarte este excelente poster educacional sobre energía de fusión (en castellano) elaborado por el Acuerdo Europeo para el Desarrollo de la Fusión, en versión para impresora (aquí) y de alta calidad para impresión profesional (aquí).