Rumb a la fusió, una petita estrella somio

2017/03/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia
• Fisika
• Ingeniaritza

Ronald Reagan i Mikhail Gorbachev van signar en 1985 la col·laboració per a “aconseguir una font d'energia essencialment inesgotable en benefici de tota la humanitat”. Aquesta font d'energia era la fusió. Amb aquest acord es va posar en marxa el projecte ITER amb l'objectiu de fer realitat la fusió. Posteriorment es van incorporar al projecte la Unió Europea, la Xina, el Japó, Corea del Sud i l'Índia.

ITER significa en anglès “Reactor Termonuclear Experimental Reactor Internacional” i en llatí “camino”. El camí està sent llarg, laboriós i car. En 2005 es va decidir la seva construcció en Cadarache (França), van començar en 2013 i esperen acabar en 2019. No és clar el cost, però seran milers de milions d'euros. Després de l'Estació Espacial Internacional, serà l'edifici científic més car.

“Aquest dolç és tan dolç energèticament”, afirma l'investigador de la UPV Igor Peñalva Bengoa. “Si la fusió s'aconsegueix a mitjà termini es poden solucionar els problemes energètics actuals”. Peñalva investiga en el camp de la fusió. Goretti Sevillano Berasategi també en un altre departament de la UPV. “Els combustibles fòssils s'estan esgotant i les renovables tenen limitacions i no poden generar tota l'energia que necessitem —diu Sevillano—, aquí tenim un problema”.

Inesgotable, net i segur

La fusió suposa una sèrie d'avantatges respecte a altres fonts d'energia. Les matèries primeres són pràcticament inesgotables. Es tracta d'utilitzar dos isòtops d'hidrogen, el deuteri i el triti. “Es pot considerar que el deuteri és inesgotable perquè hi ha un munt en la mar. El triti, per part seva, es formarà en el propi reactor, a partir del liti, i el liti tampoc és inesgotable però pràcticament inesgotable. Tenim liti suficient per a milers d'anys”, explica Peñalva. D'altra banda, “no hi hauria conflictes geopolítics amb el petroli, el carbó, etc., perquè les matèries primeres es poden trobar en qualsevol lloc”, ha afegit Sevillano.

A més, Sevillano destaca que és “energia neta”. “No genera gasos d'efecte d'hivernacle. I és cert que es generen uns residus radioactius però de baixa activitat i de molt curta vida”.

La unió d'un àtom de deuteri i un àtom de triti produeix un àtom d'heli, un neutró i energia. Aquesta és la reacció de fusió. Es tracta d'un procés contra la fissió que es produeix en les centrals nuclears actualment en funcionament. L'energia s'obté dividint els nuclis de grans àtoms com el plutoni i l'urani en la fissió. En la fusió, mitjançant la interacció de nuclis de petits àtoms com l'hidrogen.

A través d'aquests neutrons que es formen en fusió, els metalls poden convertir-se en radioactius. “Però aquests metalls, després de 20-40 anys, no són radioactius i poden ser reutilitzats tranquil·lament, per la qual cosa jo no els agafaria com a residus radioactius”, explica Peñalva. “No tenen res a veure amb els residus de fissió. En aquest cas, no són d'alta activitat i no és un problema de milions d'anys, sinó de 10, 20 o 40 anys”.

Quant a la seguretat, res a veure amb la fissió, explica Peñalva: “En la fissió es produeixen reaccions en cadena que requereixen un bon control. Si es perd el control, pot ocórrer Chernobyl, etc. En la fusió ocorre el contrari; si hi ha un problema en un reactor, la reacció es deté. La pròpia reacció és segura en si mateixa”.

De les estrelles a la Terra

Inesgotable, net, segur… Sembla que té tot. El problema és la dificultat. “Tecnològicament aconseguir la fusió no és fàcil”, afirma Peñalva. “Tingues en compte que els únics reactors de fusió en funcionament que coneixem són les estrelles. Tota l'energia que ens arriba del Sol es genera a través de reaccions de fusió, i en definitiva, gràcies a ella vivim. El problema és aconseguir-lo en la Terra. Es necessiten temperatures superiors als 100 milions de ºC i això no és cosa de bromes”.

Aquesta petita estrella que es crearà en ITER ocuparà 150 milions de ºC, 10 vegades més que el nucli del Sol. De fet, en les estrelles l'àtom fusiona forces de gravetat. En la Terra, no obstant això, no es pot produir aquesta força, per la qual cosa es necessiten temperatures majors per a aconseguir que els àtoms es posin en estat de plasma i es fusionin. “No coneixem materials que resisteixin aquesta temperatura”, afirma Peñalva. Però l'estrella artificial es pot mantenir atrapada per camps magnètics. Per a això, els imants superconductors d'ITER es refreden a -269 °C, molt prop del zero absolut. La major i menor temperatura del món estarà gairebé en el mateix lloc.

Sabem que en la Terra es pot aconseguir la fusió. Ja s'ha aconseguit en diverses màquines. “Però la reacció dura molt pocs segons en condicions de generació d'energia, temps que no és suficient per a recuperar l'energia lliurada per a iniciar la reacció”, explica Sevillano. La millor marca s'ha obtingut en el reactor JET britànic: Entrada de 24 MW i extracció de 16.

L'objectiu d'ITER és generar deu vegades més energia de la introduïda. Està dissenyat per a introduir 50 MW i extreure 500. ITER serà molt similar a JET però major. “Segons els càlculs, com més gran sigui, més fàcil aconseguirem treure més energia”, explica Peñalva.

Igual que el JET, ITER serà un reactor tipus tokamas. La fusió es produeix en una cambra en forma de toroide o rosquilla en el tocat. “Els dispositius que més s'han treballat fins ara són els locals”, diu Sevillano. “Hi ha qui pensa que els de stellarator poden ser millors, però tenen formes molt especials i són molt difícils de construir, sobretot a gran escala. Per això, i perquè s'ha investigat molt més en el trasllat, es va decidir que ITER fora de lloc”. En qualsevol cas, el funcionament d'ambdues és bàsicament similar, i “el que s'investiga en una d'elles és bastant fàcil d'adaptar a l'altra”, explica Sevillano.

Una altra manera d'aconseguir la fusió és substituir els camps magnètics per làsers molt potents i molt precisos. El projecte NIF dels estatunidencs és és el principal en aquest camí, però, a pesar que així han demostrat que és possible la fusió, el Departament d'Energia del Govern dels EUA va reconèixer l'any passat que el NIF té seriosos dubtes sobre si l'objectiu d'obtenir energia pot arribar a en alguna ocasió.

Sevillano veu difícil el camí de Laser: “La qüestió és que la majoria dels científics i laboratoris que treballen en fusió estan treballant amb confinament magnètic, i jo crec que els resultats vindran d'aquí”. Peñalva coincideix: “ITER compta amb el suport tecnològic de JET. Sabem que pot funcionar. I es calcula que fent més gran pot ser més fàcil obtenir energia, s'ha decidit internacionalment: ‘fem entre tots un gran reactor, a veure si aconseguim comprovar que això és tecnològicament viable’. Com s'ha decidit fer ITER a nivell internacional i els diners és aquí, la majoria de les recerques estan encaminades a això”.

Fusió en la UPV

I en això estan també els investigadors de la UPV. “Nosaltres som un grup de control”, afirma Sevillano. “Per a allargar aquest estat del plasma i poder extreure energia d'ell és necessari controlar una gran quantitat de paràmetres: corrent de plasma, forma de plasma, corrents de bobines, tensió, etc.”. Per a això desenvolupen sistemes de control.

I disposen d'una petita màquina per a realitzar les primeres proves d'aquests sistemes. “No és un reactor, però té una cambra de buit on es pot utilitzar l'heli com a combustible. Encara es troba en procés de construcció i el que pretenem amb això és comprovar, mitjançant proves amb els esquemes i models de control que desenvolupem per a alguns paràmetres, si aquests esquemes de control o models de plasma desenvolupats poden ser d'utilitat. I una vegada comprovat això, realitzar les modificacions necessàries per a adaptar-ho a una màquina experimental més gran”.

Per part seva, l'equip de Peñalva analitza el comportament de certs materials metàl·lics amb hidrogen i deuteri. “Necessitem saber en quina mesura l'hidrogen i els seus isòtops penetren en els materials per a després saber on estaran aquestes partícules i com gestionar-les, i decidir quins materials són els més adequats”. En alguns casos, interessa introduir molt en el material, per exemple, per a recuperar el triti. I en unes altres, el contrari. Per exemple, el propi triti és radioactiu i per a treballar amb seguretat es necessiten materials que impedeixin el pas del triti.

Treballen principalment amb aliatges de ferro. “El que nosaltres estudiem és al cap i a la fi, per exemple, quan el ferro té més o menys crom, en quina mesura augmenta o disminueix la permeabilitat. Mesurem aquests paràmetres. Aquesta és la nostra aportació. En principi, per a ITER està decidit o semi-decidit quins seran els materials, però aquesta recerca està orientada a la següent fase”.