¿Imaginas una fuente de energía limpia, segura e inagotable? Los físicos e ingenieros que están involucrados en el diseño y construcción de los reactores experimentales de fusión nuclear están intentando imitar lo que sucede en el interior de las estrellas con el objetivo de obtener grandes cantidades de energía. Aunque todavía queda mucha investigación por delante, la fusión nuclear podría convertirse en la energía del futuro.
¿Qué es la fusión nuclear?
La fusión nuclear es el sistema empleado por las estrellas para producir energía y luz. El «combustible» utilizado para realizar esta proeza es el hidrógeno, el primer elemento de la tabla periódica y el más abundante del universo.
Aprovechando las altísimas temperaturas de varios millones de grados y los niveles de presión, las estrellas como el Sol son capaces de unir dos átomos de hidrógeno para producir un átomo de helio.
La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado, generalmente liberando partículas en el proceso. Estas reacciones pueden absorber o liberar energía, según si la masa de los núcleos es mayor o menor que la del hierro, respectivamente.
La fusión es el proceso que impulsa nuestro Sol. Cada segundo, millones de toneladas de átomos de hidrógeno chocan entre sí bajo tremendas temperaturas y presiones de nuestra estrella madre.
Esto los obliga a romper sus enlaces atómicos y fusionarse para formar el elemento más pesado, el helio. La fusión solar natural genera enormes cantidades de calor y luz.
Fisión y fusión nuclear: no todo lo nuclear es igual
La fusión nuclear es el proceso por el que dos núcleos atómicos se aproximan el uno al otro lo suficiente como para fundirse y formar un núcleo más pesado. De esta forma, la energía se libera.
Un reactor de fusión utiliza como combustibles deuterio y tritio, isótopos del hidrógeno que pueden obtenerse con relativa facilidad.
La fisión nuclear es el proceso contrario: ocurre cuando un núcleo pesado se separa en núcleos más pequeños, liberando energía. Esta tecnología es la que usamos en nuestras actuales centrales nucleares, con uranio como combustible.
Todos los reactores nucleares comerciales que utilizamos actualmente recurren a la fisión, y no a la fusión nuclear.
Construir el SOL en una caja
Durante décadas, los investigadores han estado intentando replicar este proceso en la Tierra, o «construir el Sol en una caja» como lo denominó un físico.
Recrear lo que sucede en el Sol en la Tierra es el objetivo de los científicos detrás de la idea de la fusión nuclear como fuente de energía.
La fusión de núcleos de hidrógeno para formar helio, liberando en el proceso una gran cantidad de energía en forma de radiación electromagnética, que alcanza la superficie terrestre y que percibimos como luz y calor.
Para que tenga lugar una reacción de fusión, es necesario alcanzar altas cotas de energía que permitan que los núcleos se aproximen a distancias muy cortas en las que la fuerza de atracción nuclear supere las fuerzas de repulsión electrostática.
La fusión nuclear es un intento de replicar los procesos del Sol en la Tierra. Y no hay que confundirla con la fisión y los residuos radiactivos que esta deja. Se trata de una fuente de energía de gran rendimiento y muy limpia.
La idea básica es tomar una especie de gas de hidrógeno, calentarlo a más de 100 millones de grados hasta que forme una nube delgada y frágil llamada plasma, y luego controlarlo con potentes imanes hasta que los átomos se fusionen y liberen energía.
El deuterio y el tritio son isótopos del hidrógeno. El deuterio es un isótopo estable muy abundante en la naturaleza. De hecho, podemos encontrar un átomo de deuterio en el agua entre cada 6.500 átomos de hidrógeno, lo que no está nada mal. O 34 gramos de deuterio en cada metro cúbico de agua de mar.
Eleonora Viezzer, investigadora científica de la Universidad de Sevilla y referente mundial en el desarrollo de la fusión nuclear, resume de forma sencilla lo que sería parala humanidad la fusión nuclear: con los átomos que caben en un vaso de agua tendríamos energía para una familia de cuatro personas durante 40 años.
Como ejercicio para su correcta comprensión, es preciso destacar que con los átomos que caben en una cucharilla de café, podríamos generar la misma energía que quemando todo el carbón que cabe en un estadio de fútbol.
También, con los átomos que caben en un vaso de agua tendríamos energía para una familia de cuatro personas durante 40 años.
Hito histórico en la fusión nuclear
Para lograr la fusión de dos núcleos hay que gastar energía. El reto no es sólo lograr la fusión nuclear, sino que además libere más energía de la necesaria para conseguirla. En diciembre de 2022 se ha obtenido por primera vez en la historia una ganancia neta de energía, según ha anunciado la secretaria de Energía de Estados Unidos y el subsecretario de Seguridad Nuclear y Administrador de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA por sus siglas en inglés).
El 5 de diciembre de 2022 el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, situado en California (Estados Unidos), ha conseguido producir una energía de 3,15 megajulios tras suministrar con un láser 2,05 megajulios.
Esto significa que por primera vez en la historia de la física y de la energía un dispositivo de fusión nuclear, a través del método de confinamiento inercial usando un láser, ha conseguido la ignición y ganancia de energía en el laboratorio.
El proyecto ITER: soñando con imitar al Sol
El ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) es fruto de un esfuerzo de colaboración a escala mundial sin precedentes. Es la mayor instalación experimental del mundo dedicada a la fusión nuclear y se ha diseñado para demostrar la viabilidad científica y tecnológica de este tipo de energía. Técnicamente, el objetivo del ITER es el de producir 500 MW de potencia durante varios segundos necesitando «tan solo» 50 MW para lograr esa reacción
El proyecto Iter involucra a 35 países en la construcción de un enorme reactor de prueba en el sur de Francia.
El corazón de ITER es su reactor de tipo Tokamak, es el más grande que la humanidad ha construido hasta ahora. En cuanto a los retos, los principales hitos marcados por el ITER son conseguir el primer plasma en 2025 y las primeras operaciones con deuterio y tritio para 2035.
El plan es contar con el primer plasma generado en 2025. Hasta que Iter esté funcionando en 2025, el reactor Joint European Torus (Jet) de Reino Unido sigue siendo el experimento de fusión más grande del mundo.
Mientras los gobiernos sostienen a Iter, muchos también están avanzando con sus propios planes nacionales. China, India, Rusia y Estados Unidos, entre otros, están trabajando en el desarrollo de reactores comerciales.
Empresas privadas trabajando también en la fusión nuclear
Al calor de la transición energética y la necesidad de abandonar los combustibles fósiles, el desarrollo de reactores de fusión se ha acelerado. De acuerdo con la Asociación Industrial de la Fusión, en la actualidad existen 35 empresas privadas en un sector en crecimiento. En total, acumulan más de 2.100 millones de euros de financiación reciente. Algunos proyectos están tan avanzados que aseguran que podrían estar operando esta misma década.
La mayor emoción de la fusión nuclear proviene de las empresas privadas. Suelen ser más pequeños, ágiles y se desarrollan cometiendo errores y aprendiendo de ellos rápidamente, para generar enfoques diferentes para la fusión.
First Light: esta empresa de la Universidad de Oxford fue fundada específicamente para abordar la urgente necesidad de descarbonizar el sistema energético global. Su idea consiste en disparar un proyectil a un objetivo que contiene átomos de hidrógeno. La onda de choque creada genera una onda de choque que aplasta el combustible y esta reacción producirá plasma brevemente.
Commonwealth Fusion Systems: una empresa privada del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) que se está centrando en desarrollar un sistema Tokamak, pero su innovación clave está en los imanes superconductores. Esperan construir imanes lo suficientemente potentes para poder construir Tokomaks más pequeños y baratos para contener los plasmas necesarios para generar la fusión.
Tecnologías TAE: con el respaldo de Google y otros inversores de alta tecnología, esta compañía con sede en California está utilizando una mezcla diferente de combustible para desarrollar reactores más pequeños y baratos. Quieren usar hidrógeno y boro ya que ambos elementos están fácilmente disponibles y no son radiactivos. Su prototipo es un reactor de fusión de haz de colisión cilíndrico que calienta el gas hidrógeno para formar dos anillos de plasma. Estos se fusionan y se mantienen unidos con haces de partículas neutras para que sea más caliente y dure más.
General Fusion. Esta empresa canadiense, que se apoya en el centro de investigación de fusión de Reino Unido, está también entre las más avanzadas. Estiman que su reactor será plenamente operativo en 2025 y que durante la década de los años treinta podrán empezar a construir nuevos reactores a escala comercial.
Helion Energy. El año pasado, el reactor de esta compañía norteamericana, Trenta, ya logró mantener el plasma controlado en su interior a 100 millones de grados Celsius (10 veces más que en el núcleo del sol). Estiman que podrán empezar a producir electricidad, en pruebas piloto, en 2024.
La Marina de EE. UU.: preocupada por cómo impulsar sus barcos en el futuro, la Marina de EE.UU. ha presentado una patente para un «dispositivo de fusión por compresión de plasma». La patente dice que usaría campos magnéticos para crear «vibración acelerada y/o giro acelerado». La idea sería hacer reactores de potencia de fusión lo suficientemente pequeños como para ser portátiles. Hay mucho escepticismo de que este enfoque funcione.
¿Es realmente la fusión nuclear una energía limpia?
La respuesta es sí, la fusión nuclear es energía limpia. De hecho, según José Manuel Perlado, presidente del Instituto de Fusión Nuclear “Guillermo Velarde” de la Universidad Politécnica Madrid (UPM) y profesor emérito de Física Nuclear, siempre se ha calificado de “segura, limpia e inagotable”.
▶️ Es segura intrínsecamente porque precisa de una fuente externa para que se mantenga. La fusión nuclear es una reacción que se detiene al cortar el suministro de combustible.
▶️ Es limpia porque no genera residuos radioactivos de media y larga vida. De hecho, sus residuos nacen como consecuencia de la activación neutrónica. Por tanto, “no produce gases nocivos y genera residuos nucleares de muy baja actividad.”
▶️ Por último, que es inagotable es indudablemente cierto. “En el caso del deuterio, se encuentra en abundancia en el agua de los océanos, y el tritio es generado dentro del propio reactor a partir del deuterio”, añade el experto.
Si comparamos la energía nuclear renovable con otro tipo de energías, se puede comprobar que esta es una fuente mucho más revolucionaria. Tal y como explica José Manuel Perlado, “podría producir un suministro potencialmente ilimitado de energía limpia sin generar desperdicios sucios ni ninguna cantidad significativa de emisiones de carbono.”
