El santo grial de la energía ilimitada: ¿qué tan lejos estamos de conquistar la fusión nuclear y lograr un exitoso sol artificial?
Óscar Iván Jiménez Gutiérrez
Los científicos llevan varias décadas intentando dominar la fusión termonuclear y así crear una fuente de energía pura ilimitada en la Tierra, similar a la energía que produce el Sol.
EDUARD MUZHEVSKYI / SCIENCE PHOTO LIBRARY / Gettyimages.ru
China estableció a finales de diciembre un récord con su sol artificial, como se conoce al reactor nuclear denominado Tokamak Superconductor Experimental Avanzado (EAST, por sus siglas en inglés), al mantener la temperatura de plasma cerca de 70 millones de grados centígrados por 1.056 segundos, o 17 minutos y 36 segundos. Sin embargo, aunque este logro ha sentado una sólida base científica y experimental hacia el funcionamiento de un reactor de fusión, que en el futuro conduciría a una verdadera revolución energética, es posible que la humanidad aún este lejos de alcanzar este objetivo.
Un reactor de plasma es capaz de reproducir las reacciones físicas que ocurren en el Sol y otras estrellas y utilizar el potencial de la fusión nuclear como fuente de energía ilimitada, limpia (no produce desechos radiactivos) y que no precisa un combustible no renovable como el uranio. Desafortunadamente, todavía existen grandes trabas para controlar esas reacciones.
En el proceso de fusión nuclear dos núcleos atómicos ligeros se combinan para formar un solo núcleo más pesado y se emiten al mismo tiempo enormes cantidades de energía. Para poder fusionarse en nuestro Sol, estos núcleos necesitan colisionar unos contra otros a temperaturas altísimas (de más de 10 millones de grados Celsius), lo que es posible gracias a la inmensa gravedad del astro, explica el Organismo Internacional de Energía Atómica (IAEA).
Para lograr en la Tierra el efecto que la enorme fuerza gravitatoria del Sol tiene sobre los núcleos (y que incrementa sus posibilidades de colisión), se precisan temperaturas superiores a los 100 millones de grados Celsius y una intensa presión para conseguir que el deuterio y el tritio (dos tipos de hidrógeno) se fusionen. De acuerdo con la IAEA, también se necesita "un confinamiento suficiente para retener el plasma y mantener una reacción de fusión durante un lapso lo suficientemente prolongado como para obtener una ganancia de potencia neta".
Obstáculos
Pese a que los experimentos han logrado recrear condiciones que dan pie a la fusión nuclear, aún es necesario trabajar en mejorar las propiedades de confinamiento y la estabilidad del plasma resultante. Cualquier contacto del plasma con la pared del reactor hace que se apague instantáneamente sin causar daños graves a la pared. Esta característica los hace muy seguros, pero al mismo tiempo se ha convertido en el principal obstáculo para el desarrollo de este tipo de energía, porque el plasma caliente enrarecido es extremadamente difícil de mantener bajo control. Científicos e ingenieros continúan buscando nuevos materiales y tecnologías con miras a lograr una energía de fusión estable.
Actualmente se han desarrollado dos métodos para que la fusión se produzca. El tradicional, denominado confinamiento magnético, se lleva a cabo en reactores de tipo tokamak (acrónimo ruso de 'cámara toroidal con bobinas magnéticas'), que utilizan imanes para presionar el plasma de las paredes de su contenedor, de modo que se pueda calentar a altas temperaturas por métodos externos. Por desgracia, este todavía tiene sus inconvenientes, pues la corriente eléctrica afecta el plasma y empeora su estabilidad.
Por otro lado, está el confinamiento inercial, proceso que utiliza potentes láseres para calentar y presurizar un material, y que hacen que los gránulos de combustible finalmente exploten. De este modo, y según los cálculos, este enfoque puede reducir los costos de energía exponencialmente en comparación con el calentamiento en reactores tokamak. No obstante, este método presenta un problema relacionado con las pérdidas tangibles de energía durante la operación del reactor. Cuando el proceso se acerca a la rentabilidad energética —cuando se obtiene más energía que la invertida para desencadenar la fusión— la reacción se vuelve inestable.
Hasta el momento el mayor reto es producir más energía de la que se ha invertido para que la reacción funcione y que esta se mantenga en el tiempo.
La conquista de la fusión nuclear: ¿qué tan lejos está?
Durante las últimas décadas se han logrado grandes avances en el control de las reacciones de fusión. En los años 60 del siglo pasado, los científicos soñaban con mantener el plasma durante al menos unos segundos, unas cifras que ahora se han multiplicado, tal como demostró China el mes pasado. Mientras tanto, el megaproyecto Reactor Experimental Internacional Tokamak (ITER) que se construye cerca del Centro de Estudios Nucleares de Cadarache, en el sur de Francia, ya está en un 75,8 % terminado y planea demostrar que la rentabilidad energética sí es posible.
De momento, el reactor de fusión más 'eficiente' es el de la instalación NIF (National Ignition Facility) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en California, EE.UU. Los investigadores dieron recientemente un paso histórico al lograr con este reactor de confinamiento inercial "la ignición y la producción de energía autosostenible" tras obtener "plasma ardiente", según un estudio publicado esta semana. El rendimiento generado en estos experimentos triplica el obtenido en ensayos anteriores.
De cualquier modo, los reactores de fusión de todo tipo tienen otro problema. El tritio que requieren para funcionar se obtiene principalmente de manera artificial irradiando litio con neutrones en reactores nucleares. Se estima que cada gigavatio de energía de fusión generada requeriría de 56 kilogramos de ese isótopo al año, lo que tendría un costo altísimo si se tiene en cuenta que un kilogramo cuesta alrededor de 30 millones de dólares y solo se producen varios kilogramos al año en todo el mundo.
Para sortear esta eventualidad, los científicos proponen multiplicar el tritio directamente en los reactores termonucleares, al igual que lo hacen en los reactores atómicos. Los neutrones que se forman como resultado de la fusión reaccionan con el litio en la cubierta de la cámara del reactor y lo convierten en tritio. Esta opción se probará en el ITER y, por tanto, todavía no hay certeza de que funcione según lo previsto.
Todas estas situaciones llevan a algunas personas a creer que la fusión controlada no es más que una quimera que podría perseguirse indefinidamente. Al respecto, Elon Musk comentó el año pasado que la fusión termonuclear no es necesaria y que es más razonable mejorar las plantas de energía nuclear y construir tantas como sea posible.
En la actualidad, el problema de la radiotoxicidad de los desechos nucleares puede controlarse por completo mediante reactores de neutrones rápidos, aunque eso no exime a la energía nuclear de accidentes y no la hace conveniente para la futura expansión espacial, ya que esos vuelos requerirían toneladas de uranio. En este contexto, las centrales termonucleares parecen una fuente de energía para el futuro, ya que es potente, respetuosa con el medioambiente, segura y prácticamente inagotable.
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