La sociedad super tecnológica se está desarrollando a pasos agigantados y necesitamos urgentemente una fuente de energía que atienda la elevada demanda, pero que sea limpia y respetuosa con el medio ambiente, para sustituir a los combustibles fósiles y ayudar a frenar el cambio climático. Por ello, actualmente, los ojos están puestos con gran entusiasmo en la energía de fusión nuclear, la cual, hasta hace poco, parecía cosa de ciencia ficción.
En este artículo, os explicamos qué es la fusión nuclear energía, cómo funciona, qué aplicaciones o usos tiene, los tipos de reactores de energía nuclear de fusión y las ventajas y desventajas de la energía fusión nuclear; todo acompañado de imágenes y de fusión nuclear ejemplos.
Qué es la energía de fusión nuclear. Definición de fusión nuclear y Cómo funciona la energía nuclear de fusión
La fusión nuclear, energía nuclear de fusión o energía de fusión nuclear, es una reacción en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general de hidrógeno o de sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado (helio), liberando partículas y mucha energía. Este proceso desprende energía porque el peso del núcleo pesado es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros. Este defecto de masa se transforma en energía, según la fórmula E = mc2 y, aunque el defecto de masa es muy pequeño y la ganancia también lo es, hay que tener en cuenta que es una energía muy concentrada (en un gramo de materia hay millones de átomos), con lo que una pequeña cantidad de combustible proporciona mucha energía.
Un ejemplo de fusión nuclear son las reacciones que tienen lugar en las estrellas como la fusión nuclear Sol, en las que se produce la fusión nuclear hidrógeno para formar helio, liberando en el proceso una gran cantidad de energía en forma de radiación electromagnética que alcanza la superficie terrestre y que percibimos como luz y calor.
Así pues, la energía fusión nuclear es un intento de replicar los procesos del Sol en la Tierra, la cual no hay que confundir con la fisión nuclear. Sin embargo, hacer esto no es tan sencillo.
Si vemos con más detalle qué es la energía nuclear de fusión, este tipo de reacción ocurre cuando los átomos ligeros que van a fusionarse disponen de la suficiente energía como para vencer a las fuerzas electromagnéticas que los repelen. Sólo si ambos núcleos se acercan lo suficiente, pueden superar la cresta de repulsión. Estas condiciones solo se dan a gran temperatura, cuando la materia que forman estos átomos está en estado de plasma (el cuarto estado de la materia que consiste en un gas ionizado compuesto por electrones, cationes y neutrones separados entre sí y libres); lo cual tiene lugar en las estrellas, siendo una de las principales fuentes de creación de los elementos químicos pesados existentes en la naturaleza. Además, hay que tener en cuenta que no todas las reacciones de fusión nuclear producen la misma energía.
En la Tierra, no podemos recrear esas mismas condiciones porque no disponemos del conocimiento y la tecnología necesarios para manipular campos gravitatorios ni generar un campo gravitatorio mínimamente cercano al de una estrella. Por esta razón, para desencadenar la fusión nuclear no nos queda más remedio que calentar el combustible en un fusión nuclear reactor hasta que alcance una temperatura de entre 150 y 300 millones de grados centígrados, que, curiosamente, es diez veces superior a la del núcleo del Sol. Solo así, los núcleos de deuterio y tritio consiguen la energía cinética necesaria para vencer su repulsión natural y fusionarse.
Lo más interesante de la fusión nuclear que llevamos a cabo en nuestros reactores experimentales, es que de la fusión de los núcleos de deuterio y tritio obtenemos un núcleo de helio y un neutrón. Precisamente, este último es el neutrón que, una vez fusionado con un isótopo de litio, nos permite obtener un núcleo de tritio, elemento que podemos reutilizar para volver a iniciar el proceso de fusión nuclear. Asimismo, cabe indicar que el deuterio se obtiene del hidrógeno del agua, por lo cual se convierte en una fuente casi inagotable de combustible; mientras que el tritio lo obtenemos artificialmente a partir del litio, el cual es muy abundante, y dentro del reactor este se regenera.
Sin embargo, el principal problema de la energía nuclear de fusión reside en las fuerzas electrostáticas de repulsión de los núcleos. En el Sol no existe este problema debido a las altas presiones como resultado de la enorme gravedad de nuestra estrella, junto a la gran velocidad debida de las altas temperaturas. Sin embargo, el combustible necesario para la fusión, los isótopos de hidrógeno, deben calentarse mucho y debe mantenerse confinado a muy alta presión el tiempo suficiente para que los núcleos se fusionen.
Para conservar esas altas temperaturas, hay que evitar que el plasma choque contra las paredes del reactor, para lo cual se utilizan campos magnéticos. Así, en un reactor de fusión, el plasma caliente está confinado magnéticamente dentro de una vasija donde se ha practicado un ultra alto vacío, que es el máximo que puede conseguirse. Confinando el plasma mediante una trampa magnética, conseguimos que esa energía térmica quede aislada, para que no ceda temperatura y no se fundan las paredes del reactor. Actualmente, existen varias formar de confinamiento del plasma, dando lugar a distintos tipos de reactores nucleares de fusión, como veremos más adelante.
En general, la función del reactor nuclear es transformar la energía nuclear contenida en los átomos en energía eléctrica. Así pues, en el reactor nuclear, fruto de las reacciones de fusión, se producen neutrones que salen de ese choque con mucha energía e impactan en una pared preparada en la que se capta dicha energía. A partir de ahí el proceso ya es como en la energía nuclear de fisión, la energía térmica llega a un circuito en el que calienta agua, la convierte en vapor que mueve una turbina y es enviada a la red de distribución eléctrica.
La primera aplicación de la fusión nuclear llevada a la práctica fue la invención de la bomba de hidrógeno. Hoy en día, el reactor de energía nuclear de fusión más popular es el Tokamak, el cual tiene una forma característica de dónut. Los componentes de un fusión nuclear reactor son:
Campo toroidal
Está compuesto por bobinas. El giro tridimensional del eje central de la configuración se genera mediante dos bobinas centrales: una circular y otra helicoidal. La posición horizontal del plasma se controla mediante las bobinas de campo vertical.
La trampa magnética
Con una forma cilíndrica, estos imanes permiten colocar el solenoide superconductor en el interior del orificio central de la cámara de vacío, induciendo de esta forma una enorme corriente eléctrica en el plasma. Su misión consiste en generar el campo magnético capaz de confinar el plasma en su interior, evitando que el gas llegue a tocar la cámara de vacío. Este poderoso imán optimiza la forma del plasma, lo estabiliza y ayuda a elevar su temperatura por encima de los 150 millones de grados centígrados, gracias a un mecanismo conocido como Efecto Joule.
Cámaras de contención
Formada por los siguientes componentes:
- El manto (blanket)ː Cubre la primera pared de la cámara donde está el plasma y regenera el tritio, a partir de una mezcla circulante de litio-plomo. También protege la cámara de vacío, el criostato y los imanes del calor y el impacto directo de los neutrones de alta energía.
- Cámara de vacío: Se trata de una cámara de ultra vacío de forma toroidal de acero inoxidable y boro herméticamente sellada donde se produce la fusión. El torus contribuye a la estabilización del plasma, de manera que los átomos giran a mucha velocidad alrededor del hueco central del reactor, pero sin tocar en ningún momento las paredes del toro gracias a la trampa magnética. Entre sus paredes circula un flujo continuo de agua refrigerada, para evitar que el sistema alcance un punto crítico de temperatura. Sus paredes están diseñadas para la contención de la radiación residual que se produce en su interior, formando una primera barrera de seguridad.
- Criostatoː Se trata de una cámara de acero inoxidable que se encarga de proporcionar un alto vacío que facilite la fusión de los núcleos de deuterio y tritio que conforman el plasma a alta temperatura. También se encarga de preservar el entorno ultra frío necesario para que los imanes superconductores de la trampa magnética lleven a cabo su labor. Unos pocos de los más de doscientos orificios que podemos ver en su superficie cilíndrica se utilizan para llevar a cabo tareas de mantenimiento, pero la mayor parte de ellos se emplea para acceder al sistema de refrigeración, al equipo de diagnóstico o al manto que recubre el interior del reactor, entre otras aplicaciones.
- Divertorː Se trata de la base de la cámara de vacío del reactor y se encarga de purificar el plasma, permitiendo la extracción de las impurezas resultantes durante la fusión. El agua refrigerada que circula en su interior se encarga de enfriar a este del bombardeo de los neutrones de alta energía del plasma, que chocan contra sus escudos de tungsteno.
Usos de la fusión nuclear
Obviamente, el principal uso de la energía de fusión nuclear es la producción de energía eléctrica de un modo más limpio y sostenible que los combustibles fósiles y con un mayor rendimiento que utilizando otras energías renovables.
No obstante, en la década de 1940 se inició la investigación de la energía nuclear de fusión para fines militares, como parte del Proyecto Manhattan, la cual no tuvo éxito hasta 1952.
Tipos de reactores de fusión nuclear
Los reactores de fusión nuclear son proyectos experimentales viables para la obtención de energía que se hallan en proceso de diseño y realización. Actualmente, se encuentran en desarrollo varios métodos de confinamiento del plasma dentro del fusión nuclear reactor, lo que da lugar a los distintos tipos de reactores de fusión nuclear:
- Fusión por Confinamiento Inercial (FCI): Consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí. Se basa en la generación rápida de energía antes que el plasma pueda expandirse. Para ello, se impacta una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio mediante un haz de láser, provocando su implosión. Así, se hace cientos de veces más densa que en su estado sólido normal, permitiendo que se produzca la reacción de fusión, ya que los núcleos están muy cerca entre ellos y, por efecto túnel, se fusionan.
- Fusión por Confinamiento Magnético (FCM): Las partículas del plasma cargadas eléctricamente son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético que las guía en el interior del reactor. Para ello, antes, el combustible es calentado hasta temperaturas de millones de grados de manera que choques entre núcleos sean por agitación térmica y también se aprovecha el efecto túnel. Como al estar a tan alta temperatura el combustible se disocia en partículas con cargas positivas y negativas, éste se puede controlar mediante campos magnéticos. El reactor más desarrollado de este tipo de fusión tiene forma toroidal y se denomina Tokamak.
- Confinamiento por pinzamiento: Consiste en comprimir el plasma en movimiento guiado por campos magnéticos opuestos: uno generado por el propio plasma en movimiento y el otro generado externamente. Este confinamiento se basa en la Ley de Lenz, donde el campo electromagnético relaciona cambios producidos en el campo eléctrico por un conductor con la propiedad de variar el flujo magnético, y afirma que las tensiones o voltajes aplicadas a un conductor, generan una F.E.M (fuerza electro motriz) que se opone al paso de la corriente que la produce.
- Confinamiento electrostático estable: Se basa en la circunscripción total de iones de hidrógeno confinados electrostáticamente. Los beneficios de este confinamiento son múltiples: el grosor de la esfera de cobre anula la inestabilidad causada por errores de simetría; la ionización del hidrógeno se genera fácilmente por el campo eléctrico que absorbe los electrones, sin disminuir la intensidad de ese campo; se puede obtener un campo eléctrico intenso, lo cual evitaría fuga de los iones de hidrógeno; y la energía necesaria es menor que la consumida por un reactor de fusión que genere un campo electromagnético para confinar los iones.
Reactor Tokamak
Ya en 1950 los físicos soviéticos Ígor Yevguénievich Tamm y Andrei Sakharov diseñaron una botella magnética, el Tokamak, apropiada para confinar un plasma.
Un Tokamak es un reactor termonuclear por confinamiento magnético, que tiene forma de cámara toroidal o cilindro anular toroide, algo parecido a una rosquilla o un donut. Consiste en un tubo hueco, rodeado exteriormente con unas bobinas que harán posible la trampa magnética. Por su interior circula el plasma confinado, a más de 150 millones de grados, guiado desde el exterior por un campo magnético, con la finalidad de que el plasma sea confinado y no toque las paredes del Tokamak.
Un sorprendente récord de temperatura se estableció en el Tokamak soviético T3 en 1968 con 10 millones de grados en 10 milisegundos. Después de que esto se diera a conocer en Occidente, el diseño de tokamak se convirtió en la base de casi todos los experimentos relevantes posteriores.
Proyecto de la Instalación Nacional de Ignición de Estados Unidos (NIF)
El 5 de diciembre de 2022, la Instalación Nacional de Ignición de Estados Unidos o National Ignition Facility (NIF) situada en el laboratorio Lawrance Livermore National Laboratory (LLNL) (California), anunció la primera ganancia neta de energía de un experimento de fusión nuclear por confinamiento inercial, es decir logró que la reacción llevada a cabo liberara más energía que la introducida en el combustible.
En concreto, el NIF consiguió una energía de 3,15 Megajulios (millones de julios; 1 julio = 0,24 calorías) mediante reacciones de fusión nuclear usando un láser con una energía de 2,05 Megajulios incidiendo en el blanco (la cápsula de deuterio y tritio) contenido en un cilindro de oro abierto por sus extremos de 1cm de longitud y 5mm de anchura.
El rayo láser del NIF utilizado en el experimento, está considerado el láser más potente del mundo. Es un láser ultravioleta con una potencia de salida de 500 teravatios.
Por otro lado, cabe indicar que en España existe desde hace 40 años el Instituto de Fusión Nuclear Guillermo Velarde (IFN-GV) en la Universidad Politécnica de Madrid que tiene un acuerdo vigente con el LLNL. El Instituto es consecuencia del trabajo comenzado por el profesor Guillermo Velarde (medalla Edward Teller del Laboratorio LLNL) con un pequeño equipo en los primeros años de 1970 en la Junta de Energía Nuclear y fue creado exclusivamente para esta línea de investigación de la fusión por confinamiento inercial-láser.
Proyecto fusión nuclear ITER
En 1986, se formó un consorcio internacional llamado ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor o Reactor Termonuclear Experimental Internacional) y su emplazamiento está en Cadarache (Francia).
El ITER emplea el reactor Tokamak, que ya hemos explicado, para explicar la viabilidad de la energía fusión nuclear. Su objetivo es producir 500 megavatios durante no menos de 500s utilizando solo 1g de tritio como parte del combustible y después de invertir unos 50 megavatios de energía en la ignición del reactor.
El ITER o reactor de fusión nuclear Francia por confinamiento magnético, del que se espera que genere el primer plasma en el año 2025 y en el que participan, además de la Unión Europea, Estados Unidos, Japón, China, India, Rusia y Corea del Sur; pretende probar todos los elementos necesarios para la construcción y funcionamiento de un reactor de fusión nuclear que serviría de demostración comercial, además de reunir los recursos tecnológicos y científicos de los programas de investigación desarrollados hasta entonces.
Sin embargo, pasar de este paso a producir energía es extremadamente difícil. Además, ITER también se ha visto afectado por largas demoras y un gasto excesivo, lo que significa que es poco probable que tenga una planta de fusión de prueba funcionando incluso para 2050.
Reactor Joint European Torus (JET) de Reino Unido
En 1973 se decidió construir el Joint European Torus (JET) en Culham (Gran Bretaña), el cual actualmente es el tokamak más grande. Sin embargo, este Tokamak es algo diferente ya que se asemeja más a un núcleo de una manzana que a una rosquilla.
Llamado Tokamak esférico, tiene la ventaja de ser más compacto, lo que permite que las futuras plantas de energía se ubiquen en pueblos y ciudades.
En 1983 entró en funcionamiento este reactor. El 9 de noviembre de 1991, se liberó por primera vez en el JET una cantidad significativa de energía procedente de la fusión nuclear controlada. Un plasma de deuterio-tritio proporcionó una producción de 1,8 megavatios durante dos segundos. En 1997, se logró una producción de fusión de 16 megavatios, aunque se requirieron 24 megavatios para el calentamiento del plasma. Sin embargo, en 2022 en el reactor JET se produjeron un total de 59 megajulios de energía procedente de la fusión nuclear, durante un período de 5 segundos.
Reactor nuclear Stellarator de EE.UU.
En 1950, Lyman Spitzer comenzó a diseñar un reactor Stellarator, en lo que más tarde sería el Laboratorio de Princeton de Física de Plasma.
Desde el récord de temperatura soviético en 1968, la Universidad de Princeton estadounidense había trabajado intensamente en proyectos de tokamak junto con el concepto de Stellarator. Los Stellarators («estelaratores») son reactores de fusión toroidales con un campo magnético poloidal producido por bobinas exteriores al plasma. Es uno de los primeros dispositivos de confinamiento magnético diseñados. Su funcionamiento es continuo, pues no existe corriente plasmática inductiva alguna, ni implica riesgo de interrupciones, por no existir corriente interna en el plasma.
Así pues, el Reactor de Prueba de Fusión Tokamak (TFTR) en el Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), logró éxitos similares a los del JET. En 1994, se alcanzaron 10,7 megavatios de potencia de fusión y, en 1995, una temperatura de plasma de 510 millones de °C.
De 1999 a 2016, se llevó a cabo una investigación sobre su sucesor, el National Spherical Torus Experiment (NSTX).
Reactor EAST o fusión nuclear China
El EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), se localiza en el Instituto de Física del Plasma de la Academia China de Ciencias (ASIPP), y ya ha multiplicado por cinco la temperatura del Sol durante más de 17 minutos.
Durante los últimos quince años de operación, EAST, que es el primer tokamak completamente superconductor con una sección transversal no circular, ha logrado una operación de plasma con un megamperio o 160 millones de grados.
Reactor KSTAR o Sol artificial de Corea del Sur
El KSTAR, el dispositivo de investigación de fusión nuclear o Sol artificial de Corea del Sur, también está batiendo sus propios récords, logrando mantener una temperatura de más de 100 millones de grados estable durante unos 30 segundos.
Se trata de un proyecto conjunto de la Universidad Nacional de Seúl (SNU) y la Universidad de Columbia de Estados Unidos, y se espera que en el futuro cercano se integre al Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER).
Proyectos privados de mini reactores nucleares
China, India, Rusia y Estados Unidos, entre otros, están trabajando en el desarrollo de reactores comerciales. Sin embargo, son varias las empresas privadas que están desarrollando mini reactores nucleares, a continuación, os presentamos algunos de ellos:
- First Light Fusion: esta empresa de la Universidad de Oxford fue fundada específicamente para abordar la urgente necesidad de descarbonizar el sistema energético global. Su idea consiste en disparar un proyectil a 204 veces la velocidad del sonido a un objetivo que contiene átomos de hidrógeno. La onda de choque creada aplasta el combustible y esta reacción produce la fusión termonuclear. Los científicos afirman que su tecnología es “la ruta más rápida, simple y barata para obtenerla” y aseguran que tendrán una planta piloto generando unos 150 megavatios en la década de los 2030.
- Reactor Sparc del MIT y Commonwealth Fusion Systems: se trata de una empresa privada del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) que se está centrando en desarrollar un sistema Tokamak (Sparc), pero su innovación clave está en los imanes superconductores. Esperan construir imanes lo suficientemente potentes para poder construir Tokamaks más pequeños y baratos para contener los plasmas necesarios para generar la fusión. Su objetivo es tener, dentro de 15 años, una planta de energía que trabaje como un micro Sol que produzca un calor capaz de generar 200 megavatios de manera continua y sin producir contaminación.
- Reactor Norman de TAE Technologies: con el respaldo de Google y otros inversores de alta tecnología, esta compañía con sede en California está utilizando una mezcla diferente de combustible para desarrollar reactores más pequeños y baratos. Utilizan hidrógeno y boro ya que ambos elementos están fácilmente disponibles y no son radiactivos, aunque para ello necesitan una temperatura todavía más elevada. Su prototipo es un reactor de fusión de haz de colisión cilíndrico denominado Norman, que calienta el gas hidrógeno para formar dos anillos de plasma que se fusionan y se mantienen unidos con haces de partículas neutras para que sea más caliente y dure más. En lugar del clásico reactor tokamak con forma de rosquilla que se utiliza en instalaciones como el ITER, TAE ha creado una estructura larga y delgada que han llamado Configuración de Campo Invertido Impulsada por un Haz (FRC). Recientemente, anunciaron haber conseguido la temperatura de 75 millones de grados Celsius en su plasma, la más alta que han logrado hasta el momento. Ahora, TAE quiere empezar la construcción de un nuevo reactor de fusión de última generación, llamado Copernicus, que estiman estará listo para 2025, y que les permitirá empezar a proporcionar energía a la red eléctrica para 2030.
- La Marina de EE.UU.: preocupada por cómo impulsar sus barcos en el futuro, la Marina de EE.UU. ha presentado una patente para un «dispositivo de fusión por compresión de plasma». La patente dice que usaría campos magnéticos para crear «vibración acelerada y/o giro acelerado». La idea sería hacer reactores de potencia de fusión lo suficientemente pequeños como para ser portátiles. Hay mucho escepticismo de que este enfoque funcione.
- General Fusion: esta empresa con sede en Columbia Británica, Canadá, ha atraído mucha atención y respaldo de personas como Jeff Bezos de Amazon. Ellos llaman a su sistema «fusión de objetivo magnetizado». Esta idea se basa en un plasma de gas caliente inyectado en una bola de metal líquido dentro de una esfera de acero, que luego es comprimido por pistones que disparan simultáneamente y colapsan la cavidad con el combustible. Entonces, en el pico de esa compresión, cuando el combustible explota en una reacción de fusión, está rodeado por todos lados de metal líquido, por lo que la energía entra en el metal. Con este metal líquido caliente se hierve agua que hace vapor y genera electricidad.
Fusion Nuclear Ventajas y Desventajas
Después de haber visto qué es y cómo funciona la energía nuclear de fusión en detalle, vamos a comentar las principales ventajas y desventajas de esta.
Como ventajas de la fusión nuclear tenemos:
- Los combustibles primarios son baratos, abundantes, no radiactivos y están repartidos geográficamente de manera uniforme.
- Se puede producir todavía más energía por cantidad de combustible que en los reactores de fisión.
- Se trata de un sistema intrínsecamente seguro: la reacción de fusión no es una reacción en cadena, no es posible que se pierda el control. En cualquier momento se puede parar la reacción, cerrando sencillamente el suministro de combustible.
- La fusión no produce gases que contribuyan al efecto invernadero. La reacción en sí sólo produce helio, un gas no nocivo.
- Al no existir reacción en cadena, la radiación se concentra únicamente en la vasija y sus inmediaciones.
- La radiactividad de la estructura del reactor, producida por los neutrones emitidos en las reacciones de fusión, puede ser minimizada escogiendo cuidadosamente los materiales, de baja activación. Por tanto, no es preciso almacenar los elementos del reactor más de cincuenta años.
- Si una instalación dejara de funcionar se apagaría inmediatamente, sin peligro de fusión no nuclear.
No obstante, como desventaja de la energía de fusión nuclear tenemos que la vasija del núcleo en un reactor de fusión no es 100% limpia y segura, ya que la radiación y las extremas temperaturas a las que se encuentra sometido el plasma, producen contaminación y peligrosidad.
A la espera de una fuente energética mejor, la fusión nuclear puede ser la fuente de alta densidad de energía masiva y concentrada que necesita la humanidad, combinada con las renovables y el hidrógeno, en un esquema de generación de energía eléctrica centralizada y deslocalizada.
Fuentes: Consejo de Seguridad Nuclear (CSN), Foro Nuclear, BBC, Wikipedia, Wikipedia Reactores y Xataka
