Fusión nuclear: más cerca pero lejos

1999/03/01 Plazaola, Fernando Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia

Las fuentes de energía son, como todos sabemos, fundamentales para el desarrollo de la sociedad. En la década de 1970 la crisis del petróleo agravó a la sociedad occidental e intensificaba el desarrollo de nuevas y viejas fuentes de energía. Y en la actualidad, las fuentes de energía y sus problemas son una de las principales preocupaciones de la sociedad. A partir de una clasificación amplia, podemos decir que las fuentes de energía son de dos tipos:

• capaces de producir grandes cantidades de energía: las centrales nucleares de fisión y los combustibles fósiles. Muy desarrollados tecnológicamente, muy productivos desde el punto de vista económico, y que podemos considerar como una fuente fuerte de energía para los próximos dos siglos, pero que pueden o son perjudiciales para el medio ambiente (Txernobil, residuos radiactivos, lluvia ácida, efecto invernadero...)
• energías alternativas, que en principio parecen limpias, que no atacan al medio (aunque en los últimos tiempos la energía eólica ha suscitado el debate), pero que no son capaces de generar la enorme cantidad de energía que necesita la estructura de la sociedad actual.

En este debate sobre las fuentes de energía se menciona en varias ocasiones que en el futuro tendremos una fuente de energía virgen, basada en la energía que emiten las estrellas, infinita y limpia. A pesar de estar cada vez más cerca, siempre está lejos. Sí, me refiero a la energía que se genera en la fusión nuclear. Desde 1952 sabemos que en el planeta Tierra también se puede producir esta energía. Sin embargo, lamentablemente, la demostración de ello coincidió con la explosión del explosivo H, y esta brutal demostración ha traído consigo una preocupación por que esa energía es limpia, o más limpia que otras energías del tipo (i), no es de extrañar que cuando escuchemos nos dude. En las siguientes líneas trataré de analizar qué es la fusión nuclear y cuáles son las dificultades para convertirla en una fuente de energía. Y, sobre todo, explicaré por qué la fusión nuclear es limpia respecto a la fisión nuclear.

Cuando dos núcleos ligeros, como el hidrógeno o sus isótopos —el deuterio y el tritio— confluyen, en esta reacción nuclear se libera energía. Si los núcleos son muy pesados, la única manera de liberar energía es mediante la división de los núcleos (fisión nuclear). Para el segundo proceso, es decir, para la fisión, un solo neutrón puede atacar y producir fisión en núcleos pesados como uranio o plutonio. Para la fusión hay que sumar dos núcleos que se repelen entre sí, es decir, superar la repulsión electrostática de esos dos núcleos para que sean capaces de unificar los núcleos. Como podemos observar, el proceso de fusión no es nada sencillo.

Debido a la enorme masa de las estrellas, su atracción gravitatoria les permite confinar toda la masa de la estrella y, gracias a ella, la unión internuclear emite gran cantidad de energía hacia el espacio. En el planeta Tierra es imposible que se produzca este tipo de confinamiento gravitatorio, por lo que el confinamiento de los núcleos debe realizarse de otra manera. En 1952, como se ha mencionado anteriormente, se consiguió ese confinamiento. En él, provocaron el estallido del explosivo nuclear de fisión para confinar el combustible de fusión y las reacciones de fusión provocadas por esta onda de explosión liberaron 50 veces más energía que el explosivo de fisión.

La obtención de reacciones de fusión, tanto de forma controlada como incontrolada, no es inmediata. El primer paso en la tecnología para las reacciones de fusión que se está desarrollando actualmente es la obtención de la sopa de electrones e iones del combustible de fusión, el plasma. El plasma es la cuarta situación de la materia que no está presente en nuestro planeta. Aunque no se encuentra en la Tierra, el 99% de la materia del universo se encuentra en estado de plasma. Mediante el calentamiento de un sólido se convertirá en líquido y se volatilizará, haciéndolo más caliente, a gas. Si seguimos calentando, al alcanzar la temperatura de 11.000 (que indica que la energía cinética media de las partículas internas del plasma es de 1 eV), los átomos del gas comienzan a perder electrones, convirtiéndose en una sopa formada por electrones negativos y iones positivos.

Sin embargo, en esta situación todavía no se producirá una reacción de fusión, ya que existe una fuerza de repulsión entre iones positivos. Pero si el plasma se calienta más, estos iones o núcleos pueden alcanzar una gran velocidad (energía cinética), lo que puede hacer que la fuerza repulsiva no sea capaz de impedir los choques internucleares. Experimentalmente está demostrado que esto es posible, pero para ello la temperatura del plasma debe ser enorme, con un mínimo de 100 millones de grados (10 keV). A esta temperatura se pueden empezar a producir reacciones de fusión, pero no es suficiente que unos pocos se produzcan, ya que la energía utilizada para alcanzar esa temperatura ha sido enorme. Lo más conveniente es que el número de reacciones de fusión por unidad de tiempo sea elevado. Por tanto, para que la probabilidad de que se produzca una reacción de fusión sea elevada, la densidad del plasma también debe ser elevada. Sin embargo, la reacción de fusión de (1) que se está experimentando para futuros reactores, ya obtenidas en laboratorios de fusión, no es una condición suficiente para considerar la fusión como una nueva fuente de energía.

Como estamos viendo, la energía absorbida por la fusión es muy grande y, por supuesto, la energía obtenida en fusión en una central de fusión debe ser mucho mayor que la energía consumida. Por otra parte, sabemos que cualquier cuerpo caliente, sumergido en un medio más frío, se enfriará rápidamente por difusión o dispersión atómica. Este proceso puede ser muy grave en el caso del plasma. Por tanto, de alguna manera es necesario confinar el plasma para mantener el plasma caliente, es decir, para que no se produzca dicha dispersión atómica. Debido a que el plasma de fusión debe estar tan caliente (por encima de 100 millones de grados), el confinamiento no es posible, al igual que en las botellas, mediante la utilización de paredes. Estas botellas no pueden contener paredes físicas.

En su lugar se utiliza el confinamiento magnético, es decir, el muro está formado por las líneas del campo magnético. Las líneas de campo deben confinar partículas cargadas (electrones e iones) que se desplazan rápidamente dentro del plasma en una región cerrada "donut" hasta obtener una energía de fusión provechosa. El problema del confinamiento no es nada sencillo y la tecnología que se utiliza en la actualidad es el concepto TOKAMAS, desarrollado por científicos rusos. De esta forma se define el tiempo de confinamiento, indicando el tiempo que el plasma caliente permanece caliente sin alimentación energética externa.

El aprovechamiento de las reacciones de fusión está limitado por tres parámetros: temperatura del plasma, densidad y tiempo de confinamiento. El producto de estas tres sustancias se denomina parámetro de fusión. El valor del parámetro de fusión viene calculado desde hace tiempo para que el reactor de fusión sea utilizado como fuente de energía. Lawson calculó en 1957 que el valor del parámetro de fusión debe superar los 5x1021 m-3keVs (criterio de Lawson) para que el rendimiento del ciclo energético sea del 35%. Cuando se consigue mantener el plasma bajo el criterio de Lawson sin calentarlo externamente, se puede decir que se ha conseguido el punto de ignacio.

Los plasmas actuales están lejos de este punto y el otro parámetro muy importante que se utiliza es el de la ganancia energética, es decir, la razón entre la energía generada por la fusión y la energía utilizada para llegar a la fusión, el llamado factor Q. Cuando Q=1 la energía generada en la fusión será la misma que la energía producida para llegar a ella y a este punto se le denomina "break-even". Obviamente, para que el reactor de fusión sea competitivo en el mercado habría que conseguir Q>>1. Y uno de los problemas para conseguirlo es que para producir, calentar y confinar el plasma es necesario un gran uso de energía.

Los experimentos de esta generación persiguen una situación en torno al "break-even", de la que podemos decir que están muy cerca, se ha superado Q = 0.9. Se espera obtener plasmas en condiciones de ignición en reactores de próxima generación. Para ello, ya está en marcha el proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), en el que participan la Unión Europea, Rusia, Japón y Estados Unidos. Este mismo año, y en el plazo establecido, se ha finalizado el diseño del reactor interno y se decidirá de inmediato la ubicación de este reactor experimental, que es el caso de Europa y Japón. He escrito arriba que los participantes del proyecto ITER eran cuatro, pero ahora son tres, porque hace dos meses Estados Unidos ha abandonado el proyecto. Puede haber muchas razones, pero según los rumores de los científicos que trabajan allí, la razón radica en la falta de liderazgo de la tecnología de fusión en Estados Unidos y en la imposibilidad de ubicar al reactor.

Hay que destacar que con los reactores de esta generación los parámetros que se requerirían para la ignición se han obtenido de forma independiente, pero todos juntos, a la vez, de forma que no se logre la ignición. Se han alcanzado temperaturas de 400 millones de grados, 1021 partículas/m3 y tiempos de confinamiento superiores a un segundo. Y el año 1997 en el reactor JET de la Unión Europea, situado en Edimburgo, se alcanzó una potencia de fusión de 16 MW, la mayor potencia alcanzada hasta la fecha. Además, hay que mencionar que esta potencia se obtuvo en un plasma deuterio + tritio y no en el plasma de deuterio + deuterio diseñado en JET. Sin embargo, es cierto que todavía no se ha obtenido plasma de fusión en condiciones estables. Y no sabemos cómo va a actuar este tipo de plasma (es la mayor preocupación desde el punto de vista científico).

Al no conocerse esto, los problemas de ingeniería que generará el plasma estable tampoco serán pequeños. Si el desarrollo se mantiene como se prevé, en el reactor que se construirá en el proyecto ITER se obtendrán plasmas de condiciones ignicianas, es decir, estables, y tras su investigación y dominio, en la siguiente fase se construirá un reactor para la prueba DEMO, que se adaptará a las necesidades de una verdadera central eléctrica. El momento de enganchar el reactor de fusión a la red eléctrica, si las cosas van según lo previsto, pasará dentro de 40 años. A pesar de que este plazo parezca muy largo, en la década de 1980 es más corto de lo previsto. Sin embargo, hay que tener en cuenta que lo que se quiere hacer es "construir una estrella en el laboratorio", y desde esta perspectiva, ¿son largos los plazos mencionados?

Supongamos que se puede y se consigue un reactor de fusión (el del confinamiento magnético). Veamos cuáles son las ventajas e inconvenientes de las fuentes energéticas actuales. El principal inconveniente es el coste. La inversión inicial para los reactores de fusión será enorme (la investigación también se está llevando a cabo a nivel internacional), muy superior a la que cualquier fuente energética actual necesita. Esto supondrá una barrera enorme para las centrales actuales de combustibles fósiles y fisión nuclear. Además, se sabe que las dos últimas fuentes de energía pueden producir energía sin problemas (tecnológicos) y a bajo coste.

En cuanto a las ventajas, la primera es la del combustible. El deuterio, muy extendido en el mar y los ríos, es barato y no tiene peligro de agotarse. La segunda ventaja se refiere a la seguridad de los futuros reactores de fusión; la interrupción del combustible en las reacciones de fusión impide la reacción de fusión, además de que en los reactores de fusión con confinamiento magnético se produce regularmente el combustible, por lo que el reactor de fusión es imposible de escapar de las manos, es decir, al contrario de lo que ocurre en las centrales de fisión (caso de Txernobil), el "desenchoques" en los reactores de fusión. Por tanto, el reactor de fusión no presenta riesgo de explosión o fusión.

Al igual que venden los defensores de la fusión, la limpieza es otra ventaja evidente. Las centrales nucleares de fisión y las centrales de combustibles fósiles pueden dañar el medio para siglos. Se recuerdan los hechos ocurridos en las centrales nucleares de la fisión de Chernobil y Harrisburg, los residuos radiactivos (un tema que hoy en día está en pleno apogeo, ¿qué hacer con ellos? ), efecto invernadero, lluvia ácida... Los reactores de fusión, por su parte, consideran que no pueden causar este tipo de daños. Voy a analizar brevemente lo que significa esto en las siguientes líneas, comparándolas con las reacciones de fisión.

Las reacciones nucleares de fisión producen más de 200 radioisótopos. Muchos tienen, además, miles de años de vida. Por ejemplo, un isótopo del plutonio bastante conocido tiene una vida media de 24.000 años (y no es el más largo). Dada la elevada cantidad de radioisótopos generados en la reacción de fisión, su tratamiento y uso es muy difícil, prácticamente imposible. Por este motivo, el premio Nobel italiano Carlo Rubbia acaba de proponer que el torio sea fisionado con un acelerador para que el número de tipos de residuos nucleares sea mucho menor y más fácil de tratar. En el caso de la fusión nuclear, las únicas partículas que se generan según la ecuación (1) son las partículas alfa (átomos de helio) y los neutrones de alta energía. El helio, llamado polvo de fusión, es uno de los átomos estables más extendidos del universo.

Las partículas alfa tienen gran importancia en el mantenimiento del plasma caliente y al estar ionizadas (como partículas alfa) confinan campos magnéticos. También se forman neutrones (1) en reacción, que al ser de carga pueden escapar de la región de confinamiento chocando con la rica capa que delimita el plasma. La rica capa delimita la región de confinamiento y se construye con litio o compuestos de litio. La rica capa tiene dos funciones: i) que los neutrones choquen con los átomos de litio creando tritio, combustible para el plasma, y ii) que absorba la gran energía cinética de los neutrones generados, para convertirlos en energía eléctrica. Por tanto, en el reactor de fusión la radiactividad no se encuentra en la reacción de fusión (no hay residuos), sino en las trasmutaciones producidas por el choque de neutrones con materiales del medio.

Las consecuencias de las transmutaciones son de dos tipos: 1) beneficiosos para el proceso de reacción de fusión, generando combustible tritio y 2) nocivos desde todos los puntos de vista. Este último depende de los materiales utilizados en la estructura del confinamiento magnético. Utilizando materiales apropiados de baja actividad nuclear, la actividad generada por los neutrones en estos materiales puede reducirse hasta 10 millones de veces a la hora de parar el reactor sin generar residuos de larga vida. Estos residuos quedarían dentro de la central sin posibilidad de escapar al exterior.

Sin embargo, no hay que olvidar que a pesar de que los materiales seleccionados son los adecuados, presentan impurezas que pueden dar lugar a residuos de larga vida. Por otra parte, el combustible tritio es un isótopo radiactivo de 12,3 años de vida media, un simple emisor de partículas beta, cuya energía media de emisión de electrones es de 5,7 KeV. Como el tritio es gas, en un grave accidente puede escapar del confinamiento magnético. Las previsiones del grado de radiactividad que podría sufrir la población en el entorno de las centrales, incluso en el accidente más grave que pudiera producirse, y las fugas de tritio de un futuro reactor de fusión, indican que, en el peor de los casos, el nivel de radiactividad principal se situaría a 1 km de la central.

Al asociar los reactores de fusión a la red eléctrica, si se asocian en algún momento, se puede decir que se obtendrá una fuente inagotable de energía con todo lo que ello supone. Serán mucho más limpias que las centrales de combustibles fósiles y fisión nuclear. No serán capaces de causar daños de siglos, pero tampoco tendrán pureza virgen. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre con otras centrales, en las que los efectos adversos son intrínsecos al proceso, en los reactores de fusión se puede mejorar el grado de limpieza.

Ruta estadounidense

El programa de fusión descrito en el artículo, correspondiente al proyecto ITER, no es el único para lograr la fusión. Otra vía es la del confinamiento inercial, que se está desarrollando especialmente en Estados Unidos y que tiene poco desarrollo en Europa, ya que para el confinamiento inercial se necesitan láseres de potencia, que al ser tecnologías secretas (detrás de las cuales hay interés militar), no se publican, por lo que la investigación que se lleva a cabo se mantiene en secreto.

En Estados Unidos, este tipo de investigación se está llevando a cabo en el Laboratorio Lawrence Livermoore, laboratorio de varios secretos militares, y se sabe que 60 láseres de alta potencia trabajan con el objetivo de conseguir la fusión y que para el año 2003 se construirán 200 láseres de potencia.

En este caso, a diferencia del confinamiento magnético, los tiempos de confinamiento deben ser muy cortos, en torno a un nanosegundo. Por tanto, según el criterio de Lawson, los plasmas deben ser muy densos para poder beneficiarse de estos reactores. El concepto físico de fusión también es fácil de entender en este caso, ya que a una pelota de unos milímetros de diámetro que lleva combustible en su interior los láseres de potencia atacan de la forma más homogénea posible reduciendo el radio de la pelota para que se produzca la fusión entre los núcleos. Sin embargo, a diferencia del confinamiento magnético, en el caso del confinamiento inercial no se conoce hasta qué punto se ha roto la vía de fusión, ¿en qué valor se encuentra el parámetro de fusión?, ¿está "break-even" cerca o lejos? Los investigadores no responden a estas preguntas, ya que la investigación se realiza en secreto.