La fusión nuclear y el proyecto ITER

La competencia entre España y Francia para lograr ser la sede del proyecto ITER de fusión nuclear ha puesto de manifiesto el aventurerismo y el oportunismo de algunos políticos y científicos. El objetivo de demostrar la viabilidad científica y tecnológica de un reactor de fusión que produzca electricidad aún no ha sido conseguido, después de 50 años de I+D en Estados Unidos, Rusia, Japón y Europa. Por esta razón, parece muy problemático que España hubiera podido beneficiarse de la inversión de 920 millones de euros en la construcción del ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Al contrario, lo que sí sería seguro es el daño incalculable que este desvío de fondos causaría al conjunto de la ciencia española, privada de esta forma de unos recursos considerables.

El tritio es un elemento esencial para el ITER y sólo se produce actualmente en Canadá

En el programa de fusión se ha conseguido descubrir una constante física: los 50 años

Los costes totales de construcción y operación serán del orden de 8.000 millones de euros, y los periodos de tiempo implicados serán 10 años de construcción y 20 años de funcionamiento. Estados Unidos se retiró del proyecto en 1998 y sólo se ha reincorporado en enero de 2003.

Había cuatro candidaturas para el emplazamiento del ITER: España, Francia, Canadá y Japón. Es sintomático que Estados Unidos, el país que más ha invertido en la fusión nuclear magnética durante los últimos 50 años, no haya presentado su candidatura. En un estudio preparado en 2000 para el Congreso de Estados Unidos en el que se pasa revista al programa de fusión, Richard Rowberg informó de que el gasto total en el periodo 1951-2000 se elevó a 14.725 millones de dólares. En el periodo 1975-1980, cuando se construyó el Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL), había esperanzas de que este experimento conduciría a una situación próxima a un reactor comercial de fusión. El autor fue testigo de esta esperanza, ya que trabajó durante 1973-74 en el PPPL en estudios teóricos sobre el TFTR. El presupuesto anual alcanzó por esta época el máximo histórico de unos 800 millones de dólares. El TFTR se construyó, fue operado durante 1982-1997 y batió los récords mundiales existentes: primer reactor que usó como combustible una mezcla de deuterio y tritio al 50%, que alcanzó una temperatura del plasma de 510 millones de grados centígrados (30 veces mayor que la del centro del sol) y una potencia de fusión de 10,7 megavatios durante un pulso de 1/3 de segundo, etcétera). Pero este experimento distaba mucho de un reactor que produjera electricidad. Ante la falta obvia de progreso, el Congreso redujo el presupuesto del programa de fusión a un tercio del máximo alcanzado a principios de los ochenta, y ordenó una revisión a fondo. Se concluyó que había que dar un énfasis mayor a las áreas científicas en detrimento de las tecnológicas, ante la falta de progreso significativo hacia un reactor de fusión.

Después del TFTR, una asociación de países europeos construyó otro tokamak más grande, el JET (Joint European Torus) situado en Culham (Inglaterra), que naturalmente batió los récords existentes: potencia de 16 megavatios, por encima de los 10,7 del TFTR, etcétera. Las operaciones del JET están siendo reducidas en la actualidad, y dejará de funcionar dentro de unos cuatro años. Tanto el TFTR como el JET tenían algo en común: la fusión nuclear sólo fue producida mediante el suministro de energía de fuentes exteriores al plasma; la energía producida en la fusión era inferior a la suministrada externamente, por lo que la fusión sólo se produjo durante pulsos muy cortos. El Reino Unido tampoco ha presentado su candidatura para el emplazamiento del ITER.

En la actualidad, el programa americano está orientado a desarrollar un reactor de demostración de fusión (un DEMO) en algún momento en los próximos 50 años (en medios ajenos a los grupos de fusión se dice: "Hasta ahora en el programa de fusión se ha conseguido descubrir una nueva constante física: los 50 años"). El DEMO debe ser seguro y atractivo desde el punto de vista medioambiental, debe generar energía eléctrica neta cuyo coste pueda extrapolarse a niveles competitivos con los del mercado, y debe usar la misma base de conocimientos de física de plasma y de tecnología que la que se utilizará, por fin, para construir el primer reactor de fusión productor de energía eléctrica comercial. Hay que señalar que el ITER constituye una de las etapas previas al DEMO. ITER está diseñado para generar hasta 500 megavatios durante una hora, y permitirá observar por primera vez un plasma encendido, en el que la mayor parte del calentamiento del plasma proviene de las reacciones de fusión, y no de la fuente externa de electricidad. En las reacciones de fusión del plasma de deuterio-tritio se liberan dos tipos de partículas: neutrones y partículas alfa (átomos de helio). Las partículas alfa calientan el plasma, por lo que pueden mantener las reacciones de fusión, es decir, el plasma producirá más energía que la consumida inicialmente para calentarlo hasta la temperatura de fusión.

Ésta es la visión norteamericana de la fusión nuclear magnética, para la que se dispone de un presupuesto total de 250 millones de dólares anuales. Por contraste, en caso de que hubiera conseguido ser la sede del proyecto, España habría estado dispuesta a asumir unos compromisos presupuestarios anuales durante 10 años del mismo orden de magnitud.

Mohamed Abdou, director del Centro de Ciencia y Tecnología de Fusión de la Universidad de California en Los Ángeles, en un seminario dado en el MIT en febrero de 2003 titulado Tecnología Nuclear de Fusión, ha pasado revista al estado de los programas de fusión en todo el mundo. Abdou señala de forma inequívoca las limitaciones del ITER: "El diseño actual de ITER no permite realizar la mayoría de las pruebas de los componentes nucleares de un reactor de fusión".

Abdou describe un problema esencial: el problema del tritio. El ITER, como el TFTR y el JET, está diseñado como un reactor cuyo combustible es una mezcla de deuterio y tritio, aproximadamente al 50%. El tritio es un isótopo radiactivo del hidrógeno que es particularmente tenebroso. En forma de gas, se utiliza en las bombas de fisión para aumentar considerablemente su potencia, ya que los neutrones rápidos emitidos por la fusión del tritio consiguen una utilización más completa del material fisible de plutonio o uranio. Es por supuesto un combustible esencial de las bombas de hidrógeno. En Estados Unidos no se produce tritio desde 1988.

El tritio para las bombas se producía en cinco reactores de fisión en Savannah River (Carolina del Norte) construidos a principios de los cincuenta. Estos reactores se cerraron debido a problemas de seguridad y de operación. Como la mitad de una muestra de tritio se desintegra en 12,5 años (su vida media), tiene que ser repuesto periódicamente en las bombas operativas, por lo que se recicla el contenido de las bombas más viejas. El Departamento de Energía de Estados Unidos ha establecido que necesitará volver a producir tritio a partir de 2005. Esto requerirá grandes inversiones de capital, porque habrá que construir instalaciones especiales cuya tecnología aún no ha sido desarrollada. Esto viene a cuento de que el tritio es un elemento esencial para el ITER. La única fuente actual de tritio son los reactores canadienses de fisión de tipo CANDU, en donde se produce por la irradiación del agua pesada por los neutrones. El inventario actual de tritio de los reactores CANDU es de unos 15 kilogramos, alcanzará un máximo de 27 kilogramos alrededor de 2025 y a partir de entonces el inventario irá disminuyendo, a medida que estos reactores se retiran de servicio. El coste actual del tritio es de 30 millones de dólares por kilogramo; una vez que se cierren los reactores CANDU, se estima que el nuevo coste ascenderá a 200 millones de dólares por kilogramo; es decir, 1 kilogramo de tritio costará aproximadamente lo que cuestan 18 toneladas de oro al precio actual. Todo es asumible si es para la defensa nacional.

En el diseño del ITER, se prevé que consumirá del orden de 1 kilogramo de tritio por año durante 16 años (unos 15-16 kilogramos en total), a partir de los 14 años del comienzo de la construcción. Esto supone que no se producirá tritio por la irradiación con neutrones de la envoltura de la cavidad interior del plasma. Abdou indica que los parámetros de funcionamiento del ITER no tienen los valores suficientes para poder verificar el diseño de una envoltura reproductora que produzca tritio por irradiación con neutrones, en cantidad superior a la que consume.

La prueba en condiciones de fusión de una envoltura reproductora es una condición crucial para poder construir un DEMO. Hay que notar que un reactor con una potencia de fusión de 1.000 megavatios consumirá unos 56 kilogramos de tritio por año. Por tanto, este reactor deberá producir internamente su propio tritio utilizando una envoltura reproductora adecuada.

Al principio del proyecto de fusión en los años cincuenta, se afirmaba: "Se obtendrá energía eléctrica ilimitada a partir de un combustible inagotable (hidrógeno) obtenido del agua del mar". Esta promesa mágica fue hecha primero a Perón al final de la Segunda Guerra Mundial por el aventurero austriaco Ronald Richter, un químico nuclear nazi con muy poca experiencia refugiado en Argentina. Después de unos años de haberle construido un laboratorio secreto, Perón declaró: "El 16 de marzo de 1951, en la Planta Piloto de Energía Atómica en la isla Huemul, de San Carlos de Bariloche, se llevaron a cabo reacciones termonucleares bajo condiciones de control en escala técnica". Esta declaración dio la vuelta al mundo e inspiró a Lyman Spitzer, profesor de astronomía en la Universidad de Princeton, a proponer a la Comisión de Energía Atómica americana un proyecto sobre la fusión termonuclear. El Proyecto Matterhorn nació así en 1951 y fue el comienzo del PPPL. Spitzer lo dirigió hasta 1961, año en que, ante la falta de progreso, volvió a su cátedra.

En su declaración a la prensa el 30 de enero de 2003, anunciando la vuelta al ITER de Estados Unidos, el presidente Bush dijo: "Los resultados del ITER contribuirán a los esfuerzos para generar energía de fusión limpia, segura, renovable y competitiva a mediados de este siglo". Se cuidó de respetar la nueva constante física: los 50 años.

José Canosa es doctor en Física Aplicada por la Universidad de Harvard y antiguo investigador en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton.