¿Qué es la fusión nuclear?

La fusión nuclear es el proceso mediante el que dos núcleos atómicos ligeros (número atómico bajo) se unen para formar otro más pesado. En este sentido, se diferencia de la fisión nuclear, en la que un núcleo pesado (número atómico alto) se descompone en otros más ligeros. Ambos procesos tienen en común la liberación de energía. Las instalaciones donde se produce de forma controlada dicha energía reciben el nombre de reactores nucleares. Los segundos se encuentran operativos actualmente en las conocidas centrales nucleares y generan energía de forma comercial. Por el contrario, los primeros constituyen el sueño de científicos e ingenieros como la fuente de energía definitiva: inagotable, barata y limpia. Desafortunadamente, el sueño dura ya más de siete décadas y aún no se vislumbra el final del camino, aunque parezca cada vez más cercano.

¿Qué se utiliza como combustible en un reactor de fusión nuclear?

Uno de los argumentos que más se suelen utilizar a la hora de defender la fusión nuclear es el que tiene que ver con la facilidad para disponer de cantidades ingentes de materia prima susceptible de usarse como combustible en el inicio de la reacción de fusión. Nuestro planeta, la Tierra, posee mares y océanos, lagos y ríos. El agua contenida en ellos está constituida por moléculas con dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Ahora bien, el hidrógeno de estas moléculas se encuentra, a su vez, en forma de dos isótopos (protio, con un solo protón y deuterio, con un protón y un neutrón) que guardan una proporción relativa de 5400 protios por cada deuterio. A fuerza de ser precisos, cabe señalar la existencia de un tercer isótopo conocido como tritio (un protón y dos neutrones), pero éste se encuentra muy raramente en la naturaleza ya que es radiactivo y posee una semivida de tan sólo 12 años. Se produce de forma natural por interacción de los rayos cósmicos con los átomos de nuestra atmósfera, así como en la detonación de artefactos nucleares.

Por razones que quedan más allá de las pretensiones de este artículo, la vía más prometedora para la consecución de la fusión nuclear controlada es la consistente en hacer chocar núcleos de deuterio contra núcleos de tritio (otras formas alternativas son la fusión de deuterio con deuterio o de deuterio con helio-3). El deuterio se obtiene del agua, mientras que el propio reactor puede autoabastecerse de tritio aprovechando la incidencia de los neutrones producto de la fusión sobre un blanco de berilio dispuesto a conveniencia.

¿Cómo se logra la fusión nuclear?

Si se pretende que dos núcleos, uno de deuterio y otro de tritio se fusionen y liberen energía, lo primero que hay que conseguir es que los protones de ambos se acerquen tanto entre sí que su repulsión eléctrica o culombiana (ambas partículas tienen carga eléctrica positiva y, por tanto, tienden a alejarse la una de la otra) se vea superada por la fuerza nuclear fuerte, atractiva y de mayor intensidad a distancias suficientemente pequeñas. El problema es que la única forma conocida de aproximar tanto los núcleos fusionables es comprimiéndolos enormemente y calentándolos hasta temperaturas muy elevadas, tanto que el combustible empleado (hidrógeno, en este caso) se encuentre en estado de plasma. En un plasma los átomos han perdido sus electrones y éstos, junto con los núcleos, se mueven a enormes velocidades en una especie de «sopa» de partículas cargadas eléctricamente (con carga negativa los electrones y positiva los protones).

Las leyes de la física afirman que una sustancia que se calienta comienza inmediatamente a emitir radiación que aumenta con la cuarta potencia de su temperatura. En un plasma, a millones de grados centígrados, por norma general, la energía se disipa rápidamente, enfriándose y haciendo que la densidad se reduzca de forma brusca provocando que la reacción de fusión se detenga.

Para solucionar la dificultad anterior se procede al confinamiento del plasma, es decir, hay que intentar por todos los medios que permanezca encerrado, sin que su densidad caiga por debajo de un valor crítico. Obviamente, a temperaturas como las que se manejan no sirve ningún recipiente de materia ordinaria, pues se vaporizaría instantáneamente. Se recurre, por tanto, a dos técnicas distintas: confinamiento magnético y confinamiento inercial.

El primero de ellos se aprovecha de la naturaleza eléctrica del plasma. Al estar constituido por partículas cargadas eléctricamente, se puede lograr mediante la aplicación de campos eléctricos y magnéticos adecuados mantenerlas confinadas en una cierta región del espacio, atrapadas entre complicadas trayectorias más o menos cerradas y convenientemente alejadas de las paredes del reactor. El tipo más representativo de reactor de fusión por confinamiento magnético es el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), inspirado en el diseño soviético del tokamak y cuya cámara de vacío presenta geometría toroidal. Está situado en Cadarache, Francia.

Por otro lado, el confinamiento inercial consiste en la utilización de un conjunto de haces de luz láser de alta frecuencia (comúnmente, ultravioleta) que se hacen incidir sobre un diminuto perdigón o pellet que contiene el combustible (deuterio y tritio) y se encuentra alojado en el interior de una cápsula en forma cilíndrica denominada hohlraum. Cuando los haces láser se enfocan simultáneamente sobre sendas aberturas practicadas en las bases del hohlraum se reflejan en la superficie interior del mismo produciéndose rayos X que convergen sobre el pellet induciendo la fusión nuclear. El buque insignia de esta técnica de confinamiento es el NIF (National Ignition Facility) perteneciente al Lawrence Livermore National Laboratory, en California.

Una vez conseguida la fusión del combustible, la energía generada por el plasma debe ser suficiente grande como para auto-sostener la reacción de forma continua. Cuando la energía generada supera a la inyectada en el plasma se dice que se ha alcanzado el «breakeven«. Hasta que este objetivo no se supere ampliamente el reactor nuclear no será eficiente desde el punto de vista comercial.

Los requerimientos teóricos para lograr el breakeven tienen que satisfacer el denominado criterio de Lawson, establecido por John D. Lawson en 1955, y que expresa sencillamente los valores numéricos que dan cuenta de la íntima relación entre el tiempo de confinamiento del plasma, su densidad y temperatura necesarias para la ignición, esto es, el estado en el que el calor producido por los productos de la fusión nuclear es suficiente para mantener la temperatura del plasma a pesar de cualesquiera pérdidas que se generen y sin necesidad de suministrar energía del exterior. Para hacerse una idea aproximada, baste decir que en confinamiento magnético de tan sólo 1 segundo y a una temperatura de 300 millones de grados se requiere una densidad mínima del plasma de unos pocos cientos de billones de partículas por centímetro cúbico, cuando se emplea fusión de deuterio con tritio. Para reacciones de fusión de deuterio con deuterio o helio-3 el criterio de Lawson es aún más restrictivo, hasta uno o dos órdenes de magnitud incluso. En caso de confinamiento inercial, al no tratarse de un plasma, la densidad del pellet debe ser cien cuatrillones de veces superior a la del agua, aunque los tiempos se reducen hasta el orden de los cientos de picosegundos, que son los intervalos que duran los pulsos láser inyectados.

¿Es segura la fusión nuclear?

Sin más que una mínima atención a los medios de prensa se pueden escuchar todo tipo de opiniones, valoraciones y juicios, tanto a políticos, científicos y ciudadanos en general, acerca de los potenciales peligros de la energía nuclear (de fisión). En efecto, la posibilidad de un accidente, con vertido a tierra o liberación a la atmósfera de productos nocivos siempre permanece en el imaginario colectivo, quizá motivado por la imagen que produjo en su momento el empleo de la bomba atómica al final de la Segunda Guerra Mundial. Incluso si el desastre no tuviese lugar jamás, persiste el problema del almacenamiento seguro de los residuos radiactivos irremediablemente generados en el reactor, especialmente de aquellos con tiempos de vida prolongados. Diversos isótopos, entre los que podemos encontrar el cesio-137, el yodo-131 (con avidez por la glándula tiroides) o el estroncio-90 (proclive a fijarse al calcio de los huesos), figuran en el catálogo de los más tristemente célebres.

A pesar de que suele ser habitual considerar como limpia y segura la energía de fusión nuclear, lo cierto es que dicha afirmación debe ser matizada y valorada en su justa medida. Por cada par de fusiones de dos núcleos de deuterio se genera un neutrón, en promedio. Como quiera que se están produciendo trillones de estas partículas y debido a que carecen de carga eléctrica, su interacción con la materia es pequeña, llegando a atravesar con facilidad los materiales que encuentran en su trayectoria. De vez en cuando, el neutrón colisiona con un átomo de las paredes del reactor, lo que produce distintos tipos de impurezas, daños y defectos estructurales.

Esto, de por sí, no resulta peligroso; en cambio, provoca que los metales presentes en la estructura se vuelvan débiles y quebradizos, haciéndose más susceptibles a las fracturas. Así, periódicamente, se hace necesario reemplazar la vasija del reactor por otra nueva. Actualmente, diferentes grupos de investigación, entre los que se encuentra al que pertenece el autor de estos párrafos, focalizan su labor investigadora en la simulación con clusters de supercomputación del comportamiento de materiales más o menos exóticos (tungsteno, vanadio, carburo de silicio, niobio, etc.) que pudiesen contribuir a diseñar y construir vasijas de reactor que se viesen menos afectadas por el bombardeo neutrónico o la formación de burbujas de hidrógeno o helio.

El verdadero peligro de los neutrones viene de su capacidad para «activar» los núcleos de los átomos con los que chocan. Cuando ciertos núcleos absorben un neutrón se vuelven radiactivos. De hecho, esto es lo que se hace para desencadenar la fisión nuclear en el reactor de una central nuclear: se hacen incidir neutrones sobre núcleos de uranio o plutonio, por ejemplo, haciendo que éstos se vuelvan inestables, se fisionen y liberen a su vez más neutrones que continúan golpeando a otros núcleos y así, sucesivamente. El resultado es una reacción en cadena controlada. En una bomba, este control se elimina de forma deliberada y la energía se libera de forma repentina en la detonación. Para ello se requiere una masa crítica mínima de material fisionable y una pureza determinada. Ninguna de estas dos premisas se cumplen en un reactor nuclear y, por tanto, una explosión nuclear resulta del todo imposible (el tristemente famoso incidente de Chernóbil fue causado por una explosión de origen químico, no nuclear). Algo análogo se puede afirmar acerca de un reactor nuclear de fusión, ya que en éste no existe ninguna reacción en cadena sino un plasma confinado que, en caso de accidente, deja automáticamente de auto-mantenerse, se enfría y disipa su energía rápidamente de forma totalmente segura.

Así pues, en un reactor de fusión nuclear aún persiste el problema de la producción de residuos radiactivos a causa de su «activación neutrónica». Almacenar de forma segura dichos productos de desecho secundarios es una cuestión no despreciable, aunque hay que señalar que los tiempos de enfriamiento son considerablemente inferiores a los producidos en las centrales nucleares de fisión.

¿Por qué aún no dominamos la fusión nuclear?

En agosto de 1955, durante un congreso sobre fusión nuclear en Ginebra, el presidente de la misma, el indio Homi Bhabha, afirmó que en dos décadas estaría solucionado el problema energético de la Humanidad. Desde entonces, han transcurrido 60 años y unos cuantos miles de millones de euros después aún seguimos esperando un reactor nuclear de fusión. Es más, conviene tener muy presente que ITER es un proyecto experimental, es decir, no será capaz de producir energía aprovechable comercialmente. Si todo marcha según los plazos establecidos, no se prevé que genere su primer plasma antes de 2020 y que se encuentre a pleno rendimiento antes de 2027, cuando se espera que el breakeven se supere en un orden de magnitud. Una vez alcanzada con éxito esta fase, el siguiente paso consistirá en construir una versión mejorada, denominada DEMO, cuya operatividad efectiva se espera para más allá del año 2040. Las dos décadas de Bhabha se habrán transformado, a poco que las previsiones fallen, en un siglo.

¿Cómo hemos llegado hasta aquí? ¿Por qué no hemos hecho realidad el deseo largamente anhelado? Numerosas y variadas son las razones que han ido retrasando y dificultando la consecución del sueño de construir un reactor de fusión nuclear eficiente desde el punto de vista industrial.

Desde los mismos comienzos de la historia de la energía nuclear, cuando Hans Bethe por fin explicó el origen real del poder del Sol, los científicos han perseguido por todos los medios el sueño de hacer realidad otro sol en la Tierra. No obstante, también desde el principio, las dificultades a las que se han enfrentado físicos, químicos e ingenieros no han sido pocas.

Una de las pimeras dificultades tenía que ver con el diseño original de la primera botella magnética con la que confinar el plasma, debido a Lyman Spitzer, de geometría cilíndrica, y que no era capaz de atrapar las partículas en ambas bases del cilindro, por donde escapaban. El diseño toroidal que se ha mantenido hasta hoy fue la solución adoptada, asimismo propuesta por Spitzer. El primer diseño de tokamak, el modelo adoptado por ITER, se debe a Andrei Sakharov, a mediados de la década de 1950.

Con el paso del tiempo, la energía nuclear y, en especial, la de fusión, tuvo que pasar por períodos de seria falta de financiación, fundamentalmente a causa del desvío de fondos hacia la carrera espacial iniciada en 1957 por los soviéticos con el lanzamiento y puesta en órbita del Sputnik. No sería hasta la década de los años 70 del siglo pasado cuando se recuperaría plena confianza en la carrera por encerrar un sol en una botella coincidiendo con la crisis de la OPEP.

Pero no han sido únicamente problemas de índole económica los que han provocado retrasos. En efecto, siempre que se producía un avance o logro parecía estar esperando tras la esquina alguna ley física que conspiraba en contra. Así, cuando ya parecía dominada la técnica de confinamiento comenzaron a descubrirse las tristemente célebres inestabilidades en el plasma, que siempre terminaban por destruirlo. Al mismo tiempo, el calentamiento del plasma tampoco resultaba sencillo, pues resultó que la mayor parte de la energía que se inyectaba era absorbida de manera muy desigual por electrones y núcleos. Obviamente, esto resultaba enormemente frustrante ya que el objetivo era justamente el contrario, es decir, la fusión requiere de enormes energías y temperaturas en los núcleos y no en los electrones, que no sufren fusión.

En el otro lado, el de la fusión por confinamiento inercial, las cosas no resultaban mucho más optimistas, a decir verdad. Prácticamente todo el material era clasificado y estaba bajo control militar, lo que dificultaba enormemente la diseminación de conocimiento entre la comunidad científica internacional. Las enormes instalaciones en Livermore tenían que alojar el titánico láser equipado con 192 haces cuya luz, infrarroja originalmente y ultravioleta tras ser convenientemente transformada, provocaba daños en distintos elementos ópticos intermedios. Muchas de las estancias tuvieron que ser rediseñadas y convertidas en salas limpias, dotadas de carísimos robots encargados de desempeñar labores inaccesibles o muy dificultosas para las personas.

Finalmente, los materiales adecuados para el pellet así como los requerimientos técnicos de su geometría constituyeron retos de enorme trascendencia. Al ser el contenedor del combustible sobre el que inciden los 192 haces láser, el pellet debe comprimirse de forma perfectamente simétrica en todas direcciones y en total sincronía para que la ignición sea eficiente. La tolerancia en las imperfecciones del pellet esférico no superan los 50 nanómetros (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro) en un milímetro.

A fracasos como los anteriores venía a sumarse otra serie de circunstancias enormemente nocivas que no hacían más que minar la confianza de los políticos y dirigentes que, al fin y a la postre, eran quienes tomaban las decisiones en lo referente a la inversión. De entre dichas circunstancias merece especial mención el turbio asunto de la fusión fría que protagonizaron en 1989 dos químicos de infausto recuerdo: Stanley Pons y Martin Fleischmann.

Y así, después de este breve pero tempestuoso y, al mismo tiempo, estimulante periplo de más de siete décadas, llegamos hasta hoy. Una vez más, y no son pocas ya, los científicos vuelven a afirmar y defender que ésta será la última, que tanto ITER como NIF marcarán de una vez por todas el principio del fin de la carrera por conseguir encerrar el Sol dentro de una botella, que los largos días de la fuente de energía definitiva para la Humanidad están a la vuelta de la esquina. Mientras tanto, seguiremos esperando…

Este post ha sido realizado por Sergio L. Palacios (@Pr3cog) y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.