La energía de fusión es la energía del futuro… ¿y siempre lo será?

Desde hace décadas, con cierta frecuencia se anuncia un nuevo hito en la larga marcha hacia la fusión nuclear controlada. La descontrolada hace tiempo que la conocemos, porque es la fuente de energía estelar y la de las bombas termonucleares. Lo anterior ha dado lugar a infinidad de bromas: la energía de fusión es la energía del futuro… y siempre lo será; en la década de 1950, los físicos encontraron una nueva constante universal: el tiempo que falta para tener conectada a la red eléctrica una central nuclear de fusión, que son 40 años. La única diferencia ahora, respecto al pasado, es la asiduidad con que aparece en los medios una noticia sobre un nuevo descubrimiento en distintas partes del mundo. La penúltima fue la de Corea del Sur hace pocos meses, aunque China lo hace tan a menudo que es difícil precisar lo anterior. El último “avance histórico” ha venido de la Instalación Nacional de Ignición en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California.

Lo inquietante del asunto es que últimamente publican la noticia antes de que los datos estén confirmados por la mejor y bien acrisolada tradición científica. ¿Indica todo lo anterior la frivolización galopante de un proyecto que, dicho sea sin aspaviento alguno, puede condicionar la evolución de la humanidad e incluso la del planeta? No. Quizá esa frivolidad lo sea solo en cierta medida, lo cual puede ser irrelevante por irritante que resulte.

Inmediatamente después del Big Bang, la generación espontánea de energía en forma de radiación, una pequeñísima parte de esta cuajó pronto en quarks y electrones. Los quarks se agruparon en núcleos atómicos sencillos: el hidrógeno (un protón), el deuterio (un protón y un neutrón ligados), el tritio (un protón y dos neutrones) y pocos, muy poco más. Como vemos, los tres citados tienen un protón, que es una partícula formada por tres quarks, cuya propiedad esencial es que está cargado eléctricamente de manera positiva. Los electrones, cargas eléctricas negativas, quedaron vagando por ahí hasta que, unos cuatrocientos mil años después del magno acontecimiento, se unieron a aquellos dando los correspondientes átomos.

Poca masa, mucha energía

Sabemos que cargas del mismo signo se repelen. La fusión nuclear consiste en unir los núcleos de dos de estos átomos primordiales (los más abundantes del universo) porque resulta que si lo hacen dan un nuevo átomo más estable. La clave de todo radica en que la masa de los que se fusionan es mayor que la de los que resultan tras la fusión. La diferencia ya sabemos que se transforma en energía en plan E=mc². La velocidad de la luz, la c, es un número tan descomunal que para generar una gran cantidad de energía hace falta muy poca masa m.

¿Cómo conseguir que se aproximen dos núcleos que se repelen tan intensamente hasta ponerse casi en contacto? Haciendo que alcancen una velocidad tal que venzan la barrera repulsiva que lo impide. Las estrellas lo consiguen al alcanzar una temperatura de millones de grados. Los militares haciendo estallar una o varias bombas de fisión (las de Hiroshima y Nagasaki) concentrando sus efectos en una pequeña zona donde está confinado el plasma (mezcla de deuterio y tritio, la más eficiente, liberada de electrones). Sí, el “fulminante” de las bombas llamadas de hidrógeno al principio y termonucleares después son bombas atómicas, digamos que más tradicionales.

La cuestión desde el principio de la tecnología nuclear fue si se podría domeñar la fusión de la misma manera que se hizo con la fisión, es decir, construir centrales de fusión nuclear para poder conectarlas a la red eléctrica. Las ventajas serían enormes: nada de residuos indeseables y de largas vidas medias como el plutonio y nada de límites de existencias en el “combustible nuclear” (el deuterio y el tritio son relativamente fáciles de conseguir de manera ilimitada). Pero estamos hablando de manejar materia a millones de grados de temperatura y no a unos pocos centenares como hacen las de fisión. ¿De qué materiales han de estar construidas esas centrales para mantener confinado ese plasma el tiempo suficiente para poder extraer el calor generado y convertirlo en electricidad comercial? De esta pregunta se desprende una infinidad, todas de difícil solución. Pero antes de avanzar debemos dejar claro el asunto inicial de las bromas sobre cuándo alcanzar el desiderátum.

Las investigaciones sobre la fusión nuclear controlada empezaron a escala universitaria y laboratorios nacionales. Se establecieron tres estrategias que comentaremos, pero lo importante es que los resultados que se iban alcanzando paulatinamente fueron tan positivos y esperanzadores que el ritmo de las inversiones en los proyectos de investigación y el correspondiente tamaño de los laboratorios de fusión llegaron al vértigo. En el caso de Europa, se pasó de la escala nacional a la internacional y se construyó el JET, Joint European Torus. Este proyecto dio resultados tan buenos que de nuevo se cambió el orden de magnitud y se diseñó un laboratorio financiado a escala internacional: el ITER (por las siglas en inglés de reactor experimental termonuclear internacional). La clave de este proyecto, que se desarrolla en Cadarache, Francia, es la E, es decir, que aún es un laboratorio experimental, nada de conectarlo a la red eléctrica. A lo largo de los años se ha producido una esperanzadora evolución de los susodichos experimentos. Hemos ido avanzando espectacularmente a lo largo de las pasadas décadas para acercarnos al objetivo de la ignición sostenida del plasma nuclear.

Tres estrategias

Veamos cuáles son esas tres estrategias mencionadas y en qué punto está cada una. Empecemos por la que ha lanzado el optimismo de estos días: el Confinamiento Inercial californiano. El “calentamiento” del plasma se lleva a cabo haciendo coincidir en una cavidad pequeñísima, de extraño nombre alemán, hohlraum, la energía suministrada por 192 láseres de alta potencia. Este confinamiento llamado inercial desencadena la reacción de fusión por un ingenioso, aunque nada extraño, mecanismo físico. Lo problemático es mantener la reacción y extraer la energía generada para poder aprovecharla termodinámicamente. Y conseguir, obviamente, que no se autodestruya toda la instalación por albergar una región, por pequeña que sea, a millones de grados centígrados de forma permanente. Es lo que parece que han conseguido en California de manera más esperanzadora que hasta ahora.

Otra estrategia es la llamada stellarator. La “botella” de confinamiento del plasma en este caso no es una cavidad metálica como el hohlraum, sino un intensísimo campo electromagnético. Conceptualmente tampoco es complicado: unas potentes bobinas mantienen el plasma confinado siguiendo la línea del campo magnético resultante. Aunque en la práctica, en el laboratorio de Wendelstein7X (en Greifswald, Alemania), no lo es tanto. Esta fue la estrategia que siguió España desde hace muchos años en los laboratorios del CIEMAT, antigua Junta de Energía Nuclear. Hoy, aparte de Alemania, hay bastantes países que la continúan explotando a nivel de investigación.

La tercera y seguramente más prometedora línea de estudio es el mencionado ITER basado en la tecnología llamada tokamak. Es conceptualmente parecida a la stellerator pero la geometría de confinamiento es del tipo torus o, si se prefiere, donuts. El laboratorio ITER es tan ambicioso y caro que su puesta en marcha ha sufrido ya varios aplazamientos, pero se espera que entre en pleno funcionamiento en esta década. Pero insistamos en que es justo eso, un laboratorio experimental, aunque ya está planificado el paso siguiente llamado DEMO que, si como todo lo augura, los resultados de ITER son definitivos en cuanto a viabilidad tecnológica y económica de la fusión. El DEMO ya se conectaría a la red eléctrica para, como su acrónimo indica, demostrar su viabilidad comercial; pero aún habría que esperar a la siguiente generación de reactores comerciales basados en él para su implementación práctica.

En las tres estrategias, particularmente en las de confinamiento electromagnético, hay una dificultad más difícil de salvar que muchas de las anteriores. Al confinamiento electromagnético, obviamente, son insensibles las partículas eléctricamente neutras. Si recordamos lo dicho al principio, los núcleos de deuterio y tritio tienen exceso de neutrones que, lógicamente se liberan tras la fusión. Estos “atraviesan” sin notarlo todo campo electromagnético, sea lo intenso que sea. Tras ese traspaso colisionan con los materiales que forman la estructura del reactor provocándoles daños no solo difícilmente reparables, sino inquietantes porque los hacen radiactivos. Así, antes de pensar en construir ningún tipo de central nuclear de fusión hay que tener perfectamente controlada esa activación radiactiva de los neutrones sobre los materiales estructurales. Para eso se va a construir un magnífico centro de investigación en Granada. El llamado IFMIF DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility DEMO Oriented Neutron Source).

Si todo sale como está previsto, comenzaremos a obtener electricidad por un medio limpio e ilimitado en… ¡40 años!

Esto puede llevar a una sonrisa escéptica e incluso para los más desconfiados y de peor carácter al enfado. Pero han de pensar en una cosa: la única manera de no conseguir jamás la fusión nuclear es detener la investigación sobre la misma. Aún más, piénsese, ahora que acaba de amerizar la cápsula Artemis después de visitar la Luna, que el hombre pisó nuestro satélite apenas 60 años después de que aprendiera a volar unos centenares de metros en una rudimentaria máquina. Lo que podemos conseguir con tesón, trabajo en equipo y financiación adecuada en la ciencia y la ingeniería tiene unos límites insospechados por esperanzadores.

Manuel Lozano Leyva es catedrático emérito de Física Atómica y Nuclear de la Universidad de Sevilla

Puedes seguir a MATERIA en Facebook, Twitter e Instagram, o apuntarte aquí para recibir nuestra newsletter semanal.