Muristek
Últimos avances en la fusión nuclear controlada, un proceso que puede generar energía limpia e ilimitada
La fusión nuclear es el proceso por el que se produce la energía en el Sol y las demás estrellas. En una reacción de fusión se unen (fusionan) los núcleos de dos átomos pequeños (por ejemplo, hidrógeno) para producir un núcleo más grande y algunas partículas subatómicas (neutrones, protones, etc). También se transforma una pequeña cantidad de materia en energía. En la figura 1 se muestra la fusión de un núcleo de deuterio (D) con uno de tritio (T), ambos isótopos del hidrógeno, que da como resultado la formación de un núcleo de helio (partícula alfa) y un neutrón. Ésta es la reacción que utilizarán los reactores de fusión.
Fusión nuclearLa fusión nuclear tiene varias ventajas respecto de la fisión nuclear, que es el proceso utilizado en las centrales nucleares actualmente en operación. Un reactor de fusión no produciría residuos radiactivos que pudieran ser empleados para fabricar armas nucleares o deban ser enterrados durante miles de años. Tampoco es posible que se produzca un accidente en el que se derrita el núcleo del reactor.
Debido a estas ventajas, y a la existencia de cantidades prácticamente ilimitadas de combustible, sería de gran interés desarrollar la fusión nuclear como fuente de energía. Las investigaciones sobre fusión nuclear comenzaron hace más de 70 años y ha habido importantes avances, pero todavía quedan problemas que deben ser resueltos para poder construir reactores comerciales que produzcan grandes cantidades de energía eléctrica.
La producción de energía a partir de reacciones de fusión es difícil porque los núcleos tienen carga eléctrica positiva y se repelen cuando se trata de acercarlos para que se fusionen. Para vencer esta repulsión es necesario que los núcleos choquen a muy alta velocidad y esto requiere calentar el combustible hasta temperaturas mayores a 100 millones de grados centígrados. A estas temperaturas los átomos se “rompen”, separándose en un núcleo de carga positiva (ion) y electrones negativos. Esta mezcla de iones y electrones a alta temperatura constituye un “plasma” (cuarto estado de la materia), que no debe confundirse con el plasma sanguíneo.
Como ningún material puede mantenerse sólido a las temperaturas requeridas es necesario encontrar un método para “confinar” el combustible, que tiende a expandirse. En las estrellas, la enorme atracción gravitatoria impide que el combustible se expanda y enfríe. En la Tierra esto no es posible. Una opción es aprovechar que los núcleos tienen carga eléctrica para confinar el combustible utilizando campos magnéticos. Dentro de lo que se conoce como “confinamiento magnético” existen varias configuraciones posibles. La más avanzada es el “tokamak”. Los tokamaks tienen la forma de un toroide (semejante a una rosca) y los campos magnéticos son producidos por bobinas externas y por corrientes eléctricas que circulan por el plasma. La corriente calienta el plasma, pero no es suficiente para alcanzar la temperatura necesaria por lo que además se utilizan haces de partículas de alta energía y ondas electromagnéticas.
Vista del interior del tokamak JET.Otra opción es utilizar un láser o haz de partículas de alta energía para comprimir y calentar una pequeña cápsula de combustible hasta que alcance la temperatura y densidad necesarias. La energía depositada por el láser (o haz de partículas) evapora el recubrimiento externo de la cápsula produciendo, por acción y reacción, la compresión del combustible. Este método se conoce como “confinamiento inercial” porque el tiempo que tarda el combustible en expandirse y enfriarse depende de su propia inercia.
Actualmente se encuentra en construcción un gran reactor de fusión tipo tokamak, llamado ITER, en el que participan: la Unión Europea, Japón, Rusia, EEUU, China, India y Corea del Norte. Se espera que ITER comience a operar en 2025, produzca grandes cantidades de energía y proporcione valiosa información para el desarrollo de prototipos de reactores comerciales.
Recientemente se han producido una serie de avances, tanto en confinamiento magnético como en confinamiento inercial, que han recibido amplia difusión en la prensa internacional. Esto demuestra el gran interés en el tema, en momentos en que el problema del cambio climático se vuelve más crítico y 2021 marcó un record en la emisión de dióxido de carbono a la atmósfera.
En noviembre de 2020 el tokamak Kstar de Corea del Sur consiguió mantener el plasma a alta temperatura y las reacciones de fusión durante 20 segundos. En diciembre de 2021, un dispositivo similar de China, llamado EAST, superó los 1.000 segundos de operación continua a alta temperatura. En diciembre de 2021 el Tokamak JET (Joint European Torus), operado por la Unión Europea, produjo una cantidad récord de energía por fusión. Por otro lado, en experimentos sobre confinamiento inercial realizados en el NIF (“National Ignition Facility”, EEUU), en agosto de 2021, se consiguió por primera vez que las pequeñas cápsulas de combustible produjeran casi tanta energía por fusión como la depositada en ellas por el láser.
Vista de la cámara donde se irradian las cápsulas en NIF.Además de estos avances, alcanzados por experimentos operados por laboratorios estatales, hay empresas privadas que están realizando inversiones para desarrollar la fusión nuclear. Algunas de estas empresas investigan variantes más avanzadas que los conceptos tradicionales (tokamak) mientras que otras apuntan a desarrollar conceptos diferentes, que permitan construir reactores más pequeños y de menor costo.
En conclusión, la fusión nuclear es una alternativa muy interesante para la generación de energía a gran escala debido a su seguridad, a su reducido impacto ambiental y a la existencia de cantidades prácticamente ilimitadas de combustible. Para ser confiables y seguros, los sistemas de generación de energía deben incluir diferentes tipos de fuentes y garantizar que una fracción importante de la demanda total pueda ser cubierta con aquellas que proporcionan potencia en forma continua sin verse afectadas por el ciclo diurno o por factores climáticos.
*El autor es Doctor en Física-UBA. Investigador Centro Atómico Bariloche
Producción y edición: Miguel Títiro - mtitiro@losandes.com.ar