Fusión nuclear: un futuro cada vez más cercano

Investigación UPV/EHU

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Fuente: NASA/SDO

El Sol, nuestra estrella, es un enorme reactor nuclear. Pero no un reactor nuclear como los que utilizamos actualmente para la generación de energía eléctrica en nuestro planeta, que son de fisión, sino un reactor de fusión. ¿Y cuál es la diferencia entre la fisión y la fusión? Mientras que en una reacción de fisión un átomo pesado (como el uranio) se fisiona, o “divide”, para generar varios átomos más ligeros, además de energía, en las reacciones de fusión ocurre justamente lo contrario: dos átomos ligeros (como el hidrógeno) se fusionan, o “unen”, liberando energía y formando un átomo más pesado. En el caso del Sol, el elemento formado es el helio, y una de las principales ventajas que presenta la fusión es que la cantidad de energía generada en una reacción es la máxima conocida (cuatro veces superior a la de fisión), además de ser limpia (no genera residuos radiactivos de alta actividad ni gases de efecto invernadero), inherentemente segura (es físicamente imposible que se produzca una reacción nuclear en cadena de una forma descontrolada en un reactor) y virtualmente inagotable.

¿Y cómo sería la reacción de fusión producida en un reactor?

De entre todas las reacciones de fusión posibles, teniendo en cuenta el punto de vista energético, económico y tecnológico, la reacción de fusión que resulta más viable de reproducir hoy en día en un reactor es la generada al fusionar deuterio y tritio, ambos isótopos del hidrógeno, dando lugar al helio, que es un gas inerte, y una gran cantidad de energía.

Para ello, el deuterio puede obtenerse de manera relativamente sencilla a partir del agua de mar (su abundancia es de 32 gramos por cada metro cúbico de agua de mar).

El tritio, en cambio, es menos abundante, pero esto no supone un problema, ya que puede producirse de forma artificial a partir del litio.

Es por ello por lo que los reactores de fusión están diseñados para que sean autosuficientes en lo que se refiere a la producción de tritio. ¿Y eso cómo es posible? La zona interna de los reactores estará formada por una envoltura compuesta por litio, llamada envoltura regeneradora, de forma que los neutrones liberados en la propia reacción de fusión choquen contra esa, produciendo a su vez nuevo tritio, que actuará como nuevo combustible para continuar con la reacción.

Si tan ventajosa es la fusión, ¿dónde está el problema?

¿Por qué no se utilizan ya reactores de fusión para la generación eléctrica? Al intentar aproximar dos núcleos, estos se repelen debido a la fuerza electrostática, ya que ambos poseen carga eléctrica positiva. Para que se produzca esa reacción, por tanto, se debe vencer dicha fuerza de repulsión, de manera que los núcleos se acerquen lo suficiente como para que las fuerzas nucleares de atracción pasen a ser dominantes y pueda producirse la fusión. Para hacer frente a eso, el combustible debe calentarse a temperaturas del orden de decenas de millones de grados centígrados y mantenerse confinado a muy alta presión el tiempo suficiente para que se produzcan las reacciones.

Pero es evidente que los sistemas convencionales no pueden hacer frente a las altas temperaturas del plasma. Por ello, se ha abordado ese problema mediante el desarrollo de dos tipos de confinamiento:

  • Confinamiento Magnético: Las partículas eléctricamente cargadas del plasma se retienen “flotando” en un espacio (comúnmente un toroide) mediante la acción de un campo magnético.
  • Confinamiento Inercial: Consiste en la creación de un medio tan denso donde las partículas prácticamente no puedan escapar sin colisionar. Para ello se concentra en una pequeña cápsula de deuterio-tritio un haz de láser haciendo que implosione, haciéndose cientos de veces más densa y dando comienzo así a la reacción de fusión, que continuará por la inercia del material al expandirse.

Entonces, ¿la fusión para cuándo?

Ese es un comentario bastante habitual cuando se habla de fusión, pero la realidad es que el proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) se encuentra actualmente completado al 78 %, por lo que la meta cada vez es más próxima. ¿Qué es ITER? Se trata de uno de los proyectos más ambiciosos existentes hoy en día: un dispositivo de fusión por confinamiento magnético diseñado para demostrar la viabilidad de la fusión. La instalación de ese proyecto se encuentra en Cadarache (Francia), y cuenta con la colaboración de ingenieros y científicos de las mayores potencias mundiales (concretamente 35 países: la Unión Europea, China, India, Japón, Corea del Sur, Rusia y Estados Unidos).

Además de demostrar la seguridad, así como el correcto funcionamiento del sistema de regeneración de tritio y del resto de las tecnologías integradas, su objetivo a más corto plazo es el de lograr el primer plasma en 2025. Se pretende generar una potencia térmica de plasma de 500 MW con menos de 50 MW de calentamiento (lo que supondrá una ganancia Q = 10). Por tener una idea, hasta la fecha, nunca antes se había conseguido obtener más energía de la introducida, de forma que Q < 1.

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Estados de las obra de ITER a 12 de diciembre de 2022. Fuente: iter.org

Tras el futuro logro de ITER, se espera que una central eléctrica de demostración de 2 GW, DEMO, sea el paso intermedio entre el ITER y los primeros reactores comerciales de fusión nuclear. Actualmente su construcción está planeada para 2040, y las investigaciones concluyen que la fusión nuclear tiene posibilidades de incorporarse económicamente al sistema energético en torno a 2050-2060, formando parte importante del sistema eléctrico para 2100.

Pero de forma paralela a la evolución de ITER y gracias al confinamiento inercial en esta ocasión, el pasado 5 de diciembre de 2022 el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California, que cuenta con el sistema láser más poderoso del planeta, consiguió generar 3,5 MJ a partir de los 2,05 MJ invertidos, lo que supone superar el hito de una ganancia superior a la unidad mediante la ignición, produciendo más energía que la energía del láser requerida para iniciar la reacción de fusión (Q = 1,7).

Gracias a ese gran logro ha quedado demostrada por primera vez la ganancia neta de energía, fijando como próximo reto el estudio de su escalabilidad, resolviendo los múltiples desafíos científicos y técnicos que supone su desarrollo y logrando un balance adecuado de potencias. De esa manera, la primera central eléctrica de demostración y, posteriormente, su uso a nivel comercial se encuentran un paso más cerca de nuestra realidad.

LMF: Laboratorio de Materiales de fusión de la UPV/EHU

En ese contexto, y entre los muchos retos a los que debe hacer frente el desarrollo de la fusión, se encuentra el de conocer la interacción de los isótopos del hidrógeno en contacto con los diferentes materiales que compondrán el reactor bajo diferentes condiciones. Esa caracterización y predicción de los parámetros de transporte del hidrógeno es la labor principal que se lleva a cabo en el LMF, colaborando de manera directa con el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas), para la realización de las tareas dirigidas y financiadas por EUROfusion (consorcio que gestiona la participación europea dentro de ITER, entre otros muchos cometidos).

Sobre los autores: Igor Peñalva es investigador principal del Laboratorio de Materiales de Fusión; Natalia Alegría es profesora de la Escuela de Ingeniería de Bilbao; María Urrestizala y Jon Azkurreta son doctorandos en Ingeniería Física.

Una versión de este texto apareció originalmente en campusa.

Para saber más:

Fusión nuclear
Fusión nuclear en el Sol
Que 100 años no es nada… o por qué aún no tenemos una central nuclear de fusión

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