Una esperanza energética frente al cambio climático

Periódicamente surgen noticias llamativas sobre la energía de fusión que hacen recordar aquel comentario jocoso de que esa tecnología sigue estando a cuarenta años de poder producir electricidad y, consecuentemente, contribuir a aliviar el cambio climático.

Esto ha vuelto a ocurrir con la reciente noticia sobre la ignición alcanzada en el National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory en California, en la que se produjo una reacción de fusión nuclear con ganancia entre la energía producida por la propia reacción y la energía necesaria para viabilizar dicha reacción. Ello fue relacionado equivocadamente con una futura producción de electricidad, la típica confusión debida a la existencia de dos conceptos totalmente diferentes de energía de fusión que los medios generalmente no suelen diferenciar.

La fusión es el proceso que proporciona la energía del sol en donde los núcleos de átomos de masa pequeña se fusionan y liberan ingentes cantidades de energía. En el núcleo del sol, su enorme presión gravitatoria permite que este proceso se produzca a temperaturas del orden de decenas de millones de grados Celsius. El gas calentado a esa temperatura separa completamente los electrones de los iones o núcleos atómicos convirtiéndose en plasma, el cuarto estado de la materia. Una de las reacciones en ese plasma se produce al fusionar deuterio y tritio (D-T), ambos isótopos del hidrógeno, reacción que justamente se reproduce y se mantener en la Tierra de forma sostenible. Pero dado que las presiones que se pueden conseguir aquí son miles de millones de veces más bajas, se requieren temperaturas por encima de cien millones de grados Celsius para obtener ritmos adecuados de producción de energía de fusión.

La reacción de fusión que se produce y se persigue en la Tierra de forma sostenible se basa en los abundantes hidrógeno (deuterio) y litio (para producir tritio). El consumo de combustible de una central de fusión de mil megavatios (1 GW) necesitaría unos 100 kilos de deuterio y tres toneladas de litio natural para operar durante un año entero, produciendo cerca de siete billones de kWh, mientras que una central eléctrica de carbón necesita unos 1,5 millones de toneladas para generar la misma cantidad de energía.

La diferencia entre los dos conceptos de fusión arriba mencionados radica en cómo alcanzar las condiciones para producir esa reacción D-T en un plasma a tan altas temperaturas. Y esa fusión se logra ya sea por Confinamiento Inercial (FCI) o por Confinamiento Magnético (FCM) del plasma.

Fusión por confinamiento inercial (FCI)

Los primeros trabajos sobre FCI desarrollados en 1951 por los norteamericanos Ulam y Teller se basaron en la implosión de rayos X para explosivos termonucleares. Con el descubrimiento del láser se desarrollaron métodos encaminados a producir la ignición por fusión nuclear. Efectivamente, la ignición de la reacción D-T se consiguió en el NIF del Lawrence Livermore National Laboratory el 5 de diciembre de 2022 durante nanosegundos (milmillonésimas de segundo) por la confluencia de 192 haces de láser sobre una diminuta esfera de deuterio y tritio causando su implosión y aumentando drásticamente su densidad de forma que se lograse dicha reacción. Ello fue un éxito histórico y un avance científico indiscutible al confirmarse por primera vez un balance positivo entre la energía necesaria en el proceso de conseguir la reacción de fusión D-T (2,05 megajulios/MJ) y la producida por la misma reacción (3,15 MJ).

Este éxito fue logrado por la National Nuclear Security Administration (NNSA), que gestiona la reserva norteamericana de armas atómicas. De hecho, cuando EE UU abandonó sus explosiones atómicas subterráneas a principio de los años noventa, la NNSA decidió construir el NIF tanto para analizar las propiedades de diversos materiales críticos para armas atómicas, como para reproducir las condiciones físicas durante una explosión atómica y también validar los códigos de diseño utilizados para ese armamento.

Aunque la FCI mejora el conocimiento científico de la reacción D-T, el NIF no se plantea la producción eléctrica, dado que para que la energía extraída fuese eficaz en un futuro reactor basado en la FCI, los disparos de los láseres deberían tener una frecuencia de como mínimo diez veces por segundo para mantener la ignición, lo que hoy en día es inviable tecnológicamente y por costes. La electricidad por fusión se debería basar como sucede con otras muchas tecnologías energéticas en que la energía generada produjese suficiente vapor de agua para que un sistema clásico de turbina-alternador produjese la electricidad.

En Francia existe también la instalación de investigación Laser MegaJoule (LMJ) con 240 láseres. En España el Instituto de Física Nuclear Guillermo Velarde de la Universidad Politécnica de Madrid, que contribuyó activamente al proyecto europeo HiPER sobre FCI, estudia desde décadas modelos de FCI.

Fusión por confinamiento magnético (FCM)

El plasma calentado a millones de grados para producir la reacción D-T debe mantenerse apartado de las paredes de la cámara que lo contiene. Esto se consigue colocando el plasma en una jaula toroidal mantenida por campos magnéticos muy intensos que impiden el escape de las partículas eléctricamente cargadas hacia las paredes del plasma. Esto es justamente la tecnología de fusión por confinamiento magnético (FCM) sin relación alguna con aplicaciones militares. A esa cámara de vacío toroidal con bobinas electromagnéticas desarrollada por los soviéticos Sakharov y Tamm en los años cincuenta se le denomina con el acrónimo ruso Tokamak y existe en el mundo una veintena de tokamaks y de su variante stellarators como posible alternativa.

Las potencias tecnológicamente más desarrolladas (Unión Europea, EE UU, Rusia, Japón, China, Corea del Sur e India) aúnan esfuerzos desde 2006 construyendo el International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) ubicado en el centro nuclear francés de Cadarache. El prototipo ITER, que no producirá electricidad, tiene como objetivo principal demostrar la viabilidad tecnológica a escala industrial de la FCM produciendo ignición por la reacción D-T durante una operación autosostenida de unos 300 segundos y con una ganancia energética de factor 5 entre la energía producida y la inyectada.

Los siete miembros del ITER contribuyen al proyecto en especie, esto es, construyendo a escala industrial los diferentes componentes del prototipo. Esas aportaciones (un 45% de la UE y un 9% de cada uno de los otros seis miembros) están gestionadas respectivamente por sus siete agencias domésticas, siendo la europea Fusion for Energy (F4E) ubicada en Barcelona. Hay que destacar que la guerra en Ucrania no ha afectado hasta la fecha la participación y positiva contribución rusa al proyecto ITER.

Cabe mencionar que diversas reacciones D-T sin ganancia energética neta fueron producidas en el tokamak Joint European Torus (JET) de la UE en 1991, 1997 y 2021 ubicado en el centro nuclear británico de Culham y en el tokamak norteamericano TFTR en 1994. La reacción D-T del 21 de diciembre de 2021 en el JET mantuvo el pulso de la reacción durante más de cinco segundos produciendo 59 MJ como nuevo récord de mayor energía de fusión producida por una reacción D-T. Ese experimento, que tenía como principales objetivos lograr la mayor magnitud de la energía producida y alargar la duración de la reacción D-T en estado estacionario, logró también una gran repercusión en los medios. De hecho, JET es el principal tokamak de referencia para ITER pues es capaz de realizar reacciones D-T y dispone de los mismos materiales Berilio y Wolframio de la cámara de plasma del ITER.

El programa de Euratom (Comunidad Europea de la Energía Atómica) sobre investigación de la energía de fusión está orientado a apoyar la operación del ITER y a mejorar los diseños de futuros reactores de demostración (DEMO). El programa está implementado por el consorcio EUROfusion compuesto por 28 países (25 estados miembros de la UE más los países asociados al programa Reino Unido, Suiza y Ucrania) con 30 instituciones y unas 150 universidades totalizando unos cuatro mil científicos. El Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT lidera en España la investigación contribuyendo en gran medida a los proyectos IFMIF y JT-60SA bajo el marco Broader Approach entre la UE y Japón asociado al acuerdo ITER y liderando el proyecto Technofusion. Adicionalmente, está prevista la construcción en Granada de la fuente neutrónica IFMIF-DONES que contribuirá a la investigación de materiales bajo alta irradiación.

Futuro de la fusión

La energía de fusión siempre ha tenido un componente político. En 1958 se desclasificaron las investigaciones de fusión entre la Unión Soviética, EE UU y el Reino Unido, tuvo lugar la II conferencia internacional sobre usos pacíficos de la energía atómica en Ginebra y comenzó una intensa cooperación científica internacional en plena Guerra Fría. Posteriormente, Gorbachov y Reagan discutieron en la cumbre de Ginebra en 1985 la idea de una colaboración global en un experimento de fusión, y en la cumbre de Reikiavik en 1987 los EEUU, la Unión Soviética, la UE y Japón acordaron desarrollar conjuntamente el diseño conceptual del ITER bajo los auspicios del Organismo Internacional de Energía Atómica en Viena. El proyecto ITER es un muy buen ejemplo de diplomacia científica, bajo cuyo marco la ciencia crea puentes entre actores políticos.

El ensamblaje del ITER comenzó en 2020 y su puesta en marcha se prevé hacia 2028, siempre que no surgiesen dificultades durante la fase del acoplamiento de componentes fabricados por una treintena de países.

En el campo de la fusión existe hoy en día mucho márketing y competición entre países e instituciones que persiguen financiamiento y anuncian logros específicos en algún aspecto o parámetro clave para la fusión, lo que provoca una cierta confusión en los medios. Un buen ejemplo es también el de China que, basándose en sus inmensos recursos materiales y humanos, anunció ya en 2014 su propósito de ser el primer país en producir electricidad de la fusión y lanzó el tokamak CFETR complementario al ITER, que propició en 2016 la creación de un grupo de trabajo Euratom-China. Se está completando el diseño de ingeniería del CFETR, cuya construcción debería estar finalizada hacia el 2040.

La FCI ha demostrado fehacientemente el principio físico de la fusión consiguiendo por primera vez ganancia energética en la reacción D-T, mientras que la FCM ha conseguido repetidos récords de energía producida por la reacción D-T. Estos dos conceptos, FCI y FCM, no son antagónicos y parte de sus respectivos desarrollos científicos se suman y realimentan mutuamente. Mientras que la FCI tiene todavía un largo camino hasta la producción eléctrica, en términos de tecnología palpable la hoja de ruta más sólida para producir electricidad se basa actualmente en la FCM. Por ello y a pesar de grandes retrasos y sobrecostes del ITER, las mayores potencias tecnológicas siguen trabajando juntas en su construcción.

El prototipo ITER es muy costoso y su operación está en principio prevista para una duración mínima de unos quince años. Si el ITER no lograse totalmente sus objetivos, la producción eléctrica generada por fusión nuclear sufriría un retraso importante. Por eso el éxito de ITER es fundamental, pues el conocimiento adquirido con su operación y la esperada demostración de la viabilidad tecnológica a escala industrial de la FCM optimizarían los diseños actuales de reactores. Con ello, distintos países comenzarían a construir sus futuros reactores disminuyendo costes y haciendo más competitiva la producción eléctrica por fusión nuclear.

La producción eléctrica por fusión significaría la posibilidad de disponer de una fuente de energía a gran escala, alternativa e inagotable, respetuosa con el medio ambiente que generaría energía sin producir residuos radiactivos a largo plazo ni emisiones de gases de efecto invernadero.

La fusión también es intrínsecamente segura, pues cualquier desviación en los parámetros y condiciones de operación provoca que el plasma se enfríe y la reacción D-T se pare por sí sola. Las centrales de fusión serían adecuadas para suministrar la carga energética básica que cubriese las necesidades de regiones densamente pobladas y áreas industriales. Las centrales podrían producir electricidad, calor para uso industrial y también Hidrógeno para una economía avanzada basada en ello. Un escenario ideal a largo plazo sin energías fósiles podría basarse en energía renovables y la fusión nuclear.

Una respuesta definitiva a aquella actitud científicamente reaccionaria sobre si “le siguen faltando cuarenta años a la fusión” todavía no se puede asegurar hasta poder comprobar el éxito del ITER. No obstante, esa frase se correspondía con un voluntarismo científico de épocas en las que no se disponía de la actual hoja de ruta basada en la FCM. Lo que sí se puede afirmar es que actualmente existe una estrategia internacional y coordinada entre las principales potencias tecnológicas para avanzar en la FCM y ello contribuiría a aliviar crisis energéticas y luchar contra el cambio climático en la segunda mitad de siglo, abriendo una nueva dimensión energética para futuras generaciones.

Alejandro Zurita fue jefe de cooperación internacional en investigación nuclear de la Comunidad Europea de la Energía Atómica (Euratom) entre 2008 y 2016.