Fusión nuclear, una fuente de energía real e inagotable… pero aún lejana

Una gigantesca estructura gris rompe el paisaje verde y llano de Cadarache, una localidad rural del sureste de Francia. Está rodeada de una superficie de 42 hectáreas de edificios indescifrables y opacos, una extensa subestación eléctrica y un reducto de naves de oficinas. Esa nave principal, de casi 30 metros de altura, alberga el corazón del ITER, un reactor experimental que en los próximos años recreará el funcionamiento del núcleo del Sol para tratar de demostrar la viabilidad de la fusión nuclear como fuente de energía casi ilimitada. De conseguirlo, se abriría una nueva era para el consumo energético del planeta. Un cambio sin precedentes en la vida humana.

“La fusión nuclear es la fuente de energía del Sol y el resto de estrellas. Al ser limpia y virtualmente inagotable, es considerada como el santo grial de las nuevas energías”, dice Manuel García-Muñoz, Codirector del Plasma Science and Fusion Technology de la Universidad de Sevilla, uno de los grupos científicos referentes en Europa sobre fusión nuclear.

En el caso del Sol, su enorme gravedad confina y compacta los átomos de hidrógeno -el elemento químico más ligero que existe- en su núcleo, un plasma súpercaliente que puede alcanzar los 20 o 30 millones de grados.

En esas condiciones de presión extrema, las altas cotas de energía propician la fusión de unos núcleos atómicos con otros. Los átomos que participan en la fusión pierden masa respecto al producto resultante, y eso libera una enorme cantidad de energía. Es una aplicación de la famosa ecuación de Einstein: Energía (e) es igual al producto de masa (m) y la velocidad de la luz (c, un valor fijo que ronda los 300.000 km/s).

Además de hidrógeno, las estrellas siguen fusionando elementos más pesados, hasta el propio hierro. Cuando no pueden producir más combustible y llegan al fin de su vida, puede implosionar -lo que se conoce como supernova– y esparcir por el espacio todo el material creado.

Los núcleos de las estrellas, como el Sol, son pues el ‘horno’ en el que se cocinan la mayor parte de los elementos químicos que componen la materia que conocemos, como los mismos planetas y, dentro de ellos, los materiales inertes y vivos que nos son familiares. Como nuestra propia piel, en definitiva.

“La ciencia, de momento, no puede controlar la gravedad del Sol, que es la responsable de que los átomos se unan tanto que acaben fusionándose” -comenta García-Muñoz- así que en la Tierra hemos estudiado la forma más eficiente a la hora de producir energía de fusión”.

En esta búsqueda, ya conocemos al menos cuáles son los dos tipos de átomos más eficaces para generar estas reacciones: el deuterio y el tritio, dos isótopos del hidrógeno. Es el ‘combustible’ que se utiliza en cualquiera de las tecnologías predominantes actuales.

La ciencia detrás de la fusión nuclear es tan bella como accesible; sin embargo, replicar la energía estelar plantea dudas y supone un reto tecnológico tremendamente complejo.

Un hito científico y algunas incógnitas

Existen dos técnicas principales en la carrera hacia la fusión nuclear. La primera es la fusión inercial por láser, que se desarrolla en grandes laboratorios.

Esta tecnología bombardea a través de haces láser de rayos ultravioleta y rayos X a una pequeña ‘diana’ compuesta por una bola minúscula de deuterio y tritio, para provocar su confinamiento, convertir el combustible en plasma, y producir reacciones de fusión en lapsos de tiempo de nanosegundos.

Es la tecnología usada por el National Ignition Facility del Lawrence Livermore National Laboratory de California cuando el pasado 13 de diciembre anunció que había obtenido, por primera vez, una ganancia neta de energía en una reacción de fusión nuclear. Consiguió producir más energía de la empleada en la reacción: 192 láseres inyectaron en el combustible 2.05 megajulios y produjeron de salida 3.15.

Este pequeño hito fue aplaudido por la comunidad científica. No obstante, no prueba por sí mismo que la fusión nuclear sea viable como alternativa energética a gran escala.

“Consideramos que esto ha sido un hito importantísimo. Que este reactor experimental consiguiera demostrar que el plasma puede producir más energía de la que le llega es fundamental, pero son resultados que hay que poner en contexto: la energía total que se necesita para hacer que esos láseres generen esa actividad es cien veces mayor”, expone García-Muñoz.

El experimento del centro estadounidense contabilizó la energía que los láseres fueron capaces de lanzar al combustible de deuterio y tritio para producir la reacción, pero no la electricidad necesaria para hacer funcionar esos láseres. Con esos resultados, la fusión nuclear seguiría siendo ineficiente para generar electricidad y para hacer sostenibles las plantas a nivel económico.

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El próximo hito científico de la fusión nuclear será conseguir ganancias netas de energía que compensen y superen todos los recursos energéticos involucrados en su producción. Es decir, debería ser autosuficiente con los excedentes de las reacciones. Los expertos sitúan la necesidad de una ganancia a razón de diez entre la energía empleada en la reacción y la energía liberada.

La segunda vía para propiciar fusión nuclear – la utilizada por el ITER o el Sparc, dos de los proyectos de fusión nuclear más avanzados – se llama fusión por confinamiento magnético y parece estar más cerca de conseguir este hito.

Esta tecnología consiste en confinar un plasma de deuterio y tritio dentro de un reactor, hacerlo levitar gracias al electromagnetismo -ningún material conocido podría soportar el contacto con temperaturas de más de 150 millones de grados del plasma – y sostener durante más tiempo la capacidad de generar reacciones de fusión.

Joaquín Sánchez es director de coordinación científico-técnica del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat) y Miembro del Consejo de Gobierno de la Agencia Europea para el ITER Fusion for Energy. Ha estado en el embrión de varios de los proyectos más importantes en fusión nuclear, desde su primer impulso allá por los años 80.

Ahora observa y sigue los pasos del ITER, esa faraónica y complejísima máquina de fusión por confinamiento magnético en el corazón del sureste francés, a la que los científicos europeos miran con esperanza.

“El objetivo del ITER es conseguir 500 megavatios de energía de fusión a partir de 50 megavatios de entrada en el sistema de inyección de plasma. Por otra parte, sabemos que como planta completa va a gastar entre 200 y 300 megavatios. De este modo, seguiría existiendo ganancia de energía, porque va a obtener más de la que se consume en total”, detalla Sánchez. El consorcio europeo que lidera el ITER estima que estos 500 megavatios puedan ser producidos en pulsos de 7 minutos.

El reactor que forma el corazón del ITER es del tipo tokamak. Se trata de un aparato formado por bobinas de un material conductor que crea un campo magnético para confinar las inyecciones de deuterio y tritio – al 50% – en el interior de una cámara en la que se ha hecho el vacío. Este plasma se calienta a temperaturas desorbitadas – a razón de unos 150 millones de grados centígrados – y sus átomos siguen la línea del campo magnético, propiciando reacciones de fusión.

En el ITER actualmente participan 35 países -incluyendo Rusia-, por lo que es también un ejemplo de colaboración internacional. En él ya se han invertido más de 20 billones de euros. El embrión político de la idea nació en 1985 -cuando todavía seguía en pie el Muro de Berlín, existía la URSS y Yugoslavia, por ejemplo – y a día de hoy se sigue desarrollando, pieza a pieza, en la región marsellesa. El desarrollo de esta máquina, eso sí, ha tenido que revisar sus plazos de ejecución respecto a los iniciales propuestos.

“La puesta en funcionamiento estaba prevista para 2025, aunque en el mundo científico hay consenso en que esa fecha hay que revisarla. Es una maquina complejísima, creo que la humanidad no ha hecho nada tan complejo nunca. Más allá del arranque de la planta, lo relevante, que es crear ese plasma de altas prestaciones con deuterio y tritio para conseguir los 500 megavatios, se espera para ocho o diez años después, a partir de 2035”, explica Sánchez.

El otro gran proyecto internacional de fusión nuclear por confinamiento magnético, el Sparc, en Estados Unidos, proyecta tiempos más cortos a través de un concepto de tokamak más compacto.

Está liderado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y cuenta con los fondos privados de la multinacional energética Eni y la Commonwealth Fusion Systems. Aseguran poder generar electricidad a través de fusión nuclear a principios de 2030.

De cumplirse los plazos y obtener buenos resultados en la próxima década, se abriría entonces otro proceso casi tan complejo: ¿cómo se generaría, distribuiría y comercializaría a gran escala la energía?

“Existen dos vías de futuro -explica García-Muñoz -. La primera estaría basada en reactores de fusión grandes que pudieran abastecer a una gran cantidad de población; esto implicaría otros retos, como el coste de construcción de las máquinas y los inversores dispuestos a acometerlas. La segunda vía, que quiere promover el Departamento de Energía de EE.UU., son reactores más pequeños y compactos que produjeran menor cantidad de energía. Serían máquinas más fáciles de construir y financiar, pero con menos alcance”.

Adelantando el futuro, Europa ya trabaja en el siguiente paso si el ITER tuviera éxito: ha desarrollado un prototipo de central eléctrica por fusión nuclear, denominado DEMO, que permitiría reconvertir la energía liberada en electricidad -el ITER, al ser un centro experimental, no estará equipado con este generador- utilizando un método curiosamente muy tradicional: la energía excedente calienta unos depósitos de agua, que generan vapor y mueven turbinas. Las operaciones con esta central de fusión comenzarían en 2050.

En cualquier caso, si todo saliera como la comunidad científica – y la teoría – prevé, aún tardaremos algunas décadas en poder encender la luz, cocinar o cargar el móvil a través de electricidad generada por fusión nuclear.

Seguridad y convivencia

La fusión nuclear, su dinámica y complejidad y su inevitable comparación con la fisión nuclear – aunque son procesos opuestos – también plantea una duda inevitable: ¿la fusión nuclear es segura?

Joaquín Sánchez explica que “siempre existen algunos riesgos, pero en fusión hay una ventaja respecto a la fisión: que se produzca un accidente como el de Chernóbil o Fukushima es imposible, porque la física de la reacción lo impide. Si la fisión es quemar gasolina, la fusión sería quemar piedra. El combustible de la fusión nuclear es tan difícil de poner en reacción que el mayor problema sería que se apagara”.

Sánchez señala principalmente dos riesgos asociados: “El problema de seguridad más importante es el tritio, que es un elemento radioactivo que hay que vigilar. No obstante, en las plantas de fusión nunca se almacenarán grandes cantidades de este elemento porque se consume a medida que se va generando”.

Además, añade: “La fusión de tritio y deuterio genera neutrones de muy alta energía, que cuando chocan con el material del reactor, un material que es inerte y se convierte en radioactivo. Es una circunstancia que no va a durar miles de años, pero sí que pueden durar uno o dos siglos”.

En todo caso, Sánchez asegura que estos residuos radioactivos “no requieren una instalación complementaria ni dan lugar a peligros, pero tendrían que estar vigilados”.

Las centrales eléctricas de fusión del futuro tampoco emitirían contaminantes atmosféricos. Eso sí, entrarían en un ecosistema donde otras energías limpias como la solar o la eólica tendrán ya décadas de instalación y desarrollo.

Por eso algunas voces escépticas reniegan de la inversión en fusión nuclear en vistas del progreso cada vez mayor de las renovables.

“Nosotros creemos que en el futuro tendremos un mix energético en el que las diferentes fuentes tendrán su utilidad y aplicación. El objetivo final es que avancemos en todas las tecnologías, incluyendo las de almacenamiento. Tendremos unas aplicaciones para la solar y otras para la eólica, que son las más adecuadas, por ejemplo, para núcleos de población reducidos, y otras para fusión y fisión”, aduce García-Muñoz.

En el mismo sentido se expresa Sánchez: “Pensamos que hay sitio para todos. Las renovables siguen dependiendo de las condiciones ambientales, y eso no va a cambiar. A día de hoy las tecnologías de almacenamiento de la solar y eólica siguen progresando, pero es difícil imaginar que, si hay una semana entera sin sol y viento, los grandes núcleos puedan sobrevivir solo con la energía almacenada”.

La fusión nuclear, eso sí, abriría un nuevo paradigma que parece extraído de un libro de ciencia ficción. Posibilidades ilimitadas con recursos casi ilimitados, aprovechando su autosuficiencia. Si todo saliese según lo planeado, ¿qué podríamos hacer con una fuente inagotable de electricidad? Sánchez proyecta: “Si hace falta agua, la tendremos, si hace falta comida, tendremos comida, y si necesitamos materias primas, las reciclaremos, porque todas esas cosas salen de un mismo elemento: la energía”.