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Fusión nuclear y energía: de la teoría girocinética a la fusión con muones, pasando por su impacto medioambiental
Investigación

Fusión nuclear y energía: de la teoría girocinética a la fusión con muones, pasando por su impacto medioambiental

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Nuestro planeta dispone de combustible para satisfacer las necesidades energéticas de la actual población mundial durante trece millones de años. Eso sí, utilizando la fusión nuclear. Esto es, al menos, lo que defienden el físico teórico Steve Cowley, uno de los principales promotores de esta innovación, y buena parte de los científicos que abogan por esta tecnología como la alternativa más sólida tanto a la quema de los combustibles fósiles como a la actual fisión nuclear.

En la primera entrega de esta serie de artículos que hemos dedicado a la fusión nuclear indagamos en su base científica y en qué hace tan diferentes a la fisión y la fusión a pesar de compartir el «apellido» nuclear. Y en el segundo artículo profundizamos en los retos técnicos y científicos que debemos resolver para que la fusión nuclear sea viable desde una perspectiva comercial. Sin embargo, aún quedan varios puntos importantes que todavía no hemos tratado, y que son los auténticos protagonistas de este tercer artículo.

La teoría girocinética nos permite ser optimistas

Actualmente los retos que nos plantea la fusión nuclear involucran con más claridad a la ingeniería que a la física. Los primeros coqueteos con la fusión comenzaron hace aproximadamente cinco décadas, pero esos incipientes diseños de reactores Tokamak tropezaron con una barrera infranqueable dados los recursos de los que disponían los científicos de la época: el confinamiento magnético.

Para confinar el plasma con precisión es necesario desarrollar modelos capaces de describir su comportamiento

Y es que preservar en el tiempo un campo magnético capaz de controlar las turbulencias del plasma, que, como sabéis, en la fusión es un gas que contiene núcleos de deuterio y tritio a temperaturas de hasta doscientos millones de grados centígrados, no es nada fácil. Para resolver este reto era necesario desarrollar modelos capaces de predecir con absoluta precisión el comportamiento del plasma, de manera que fuese posible diseñar un campo magnético muy estable, y, por tanto, capaz de impedir que este gas toque las paredes del contenedor que lo aísla del exterior.

El problema es que cuando los físicos comenzaron a trabajar en la fusión nuclear no tenían a su disposición las herramientas que necesitaban para crear modelos capaces de predecir cómo se comporta el plasma en el interior del reactor. Los primeros experimentos fueron frustrantes. Sus resultados eran radicalmente diferentes a los que predecían los modelos de la época, por lo que la fusión estable y perdurable en el tiempo parecía estar aún muy lejos, a pesar de los avances en el diseño de los reactores que poco a poco se habían ido consolidando.

Plasma Esta imagen refleja cómo se comportará el plasma, que alcanzará una temperatura cercana a los doscientos millones de grados centígrados, en el interior del reactor de fusión de ITER.

Afortunadamente, el panorama en lo que concierne al estudio de las interacciones de las partículas con carga eléctrica del plasma comenzó a cambiar radicalmente hace dos décadas. Y lo hizo gracias a la llegada de los superordenadores tal y como los conocemos hoy en día, y, por tanto, con la capacidad de cálculo necesaria para enfrentarse a problemas de este tipo. Gracias a ellos fue posible desarrollar la teoría girocinética, que podemos definir como el conjunto de modelos matemáticos que describen el comportamiento del plasma a las temperaturas que manejamos en el interior de los reactores de fusión nuclear.

La llegada de la última generación de superordenadores con una enorme potencia de cálculo ha marcado un punto de inflexión en la teoría girocinética

Durante los últimos veinte años la capacidad de cálculo de los superordenadores no ha dejado de incrementarse. Y, además, los físicos han desarrollado modelos matemáticos más sofisticados, por lo que hoy en día es posible describir con mucha precisión cómo va a comportarse el plasma durante la fusión. Si nos paramos a pensarlo un momento es emocionante que, a pesar de no contar con este conocimiento, los técnicos del JET (Joint European Thorus), en el Reino Unido, consiguiesen en 1997 sostener la reacción de fusión nuclear durante dos segundos. Y obtener gracias a ella dieciséis megavatios de potencia, o, reflejado con una unidad un poco más manejable, dieciséis millones de vatios.

Con este precedente, y valorando la enorme incidencia que está teniendo el desarrollo de los superordenadores en la teoría girocinética, resulta muy esperanzador lo que lograrán los científicos e ingenieros involucrados en ITER cuando lo pongan en marcha. Como vimos en el segundo artículo de esta serie, el Consejo de Gobierno de este proyecto ha fijado 2025 como el año en el que se realizarán las primeras pruebas con plasma en el reactor, por lo que los avances introducidos por la teoría girocinética durante los últimos años, y los que llegarán hasta entonces, deberían hacerse notar.

Titan Este es el aspecto que tienen los superordenadores hoy en día. El de la foto es Titán, el monstruoso ordenador del Laboratorio Nacional Oak Ridge para programas de ciencia y tecnología que administra el Departamento de Energía de Estados Unidos.

No obstante, la ejecución de estos modelos matemáticos en los superordenadores conlleva otras dos ventajas que no debemos pasar por alto: la reducción de los costes y el ahorro de tiempo. Todos podemos intuir lo caro que es construir un reactor de fusión nuclear. Según el consorcio mundial responsable de su diseño y construcción, ITER tendrá un coste de algo más de veinte mil millones de euros. Y a esta cifra habrá que sumar los costes de mantenimiento que, como todos podemos imaginar, no serán en absoluto despreciables.

Gracias a los superordenadores y los modelos matemáticos podemos ahorrar tanto tiempo como costes

Pero aquí es donde entran en juego nuevamente los superordenadores y la teoría girocinética. Y es que gracias a estos dos recursos los científicos pueden modificar los parámetros del modelo matemático para saber qué efecto tendrá esa variación en el comportamiento del plasma. Y, de esta forma, pueden contemplar qué modificaciones deben introducir en el reactor, pero teniendo una noción muy precisa del efecto que tendrán en la reacción de fusión.

Por supuesto, estos cálculos son muy complejos, y tienen un coste en términos del consumo energético que requieren los superordenadores, pero es obvio que este gasto es infinitamente menor que el que conllevaría la introducción material de estas modificaciones en el reactor sin siquiera tener una idea más o menos certera de lo que podemos esperar de ellas.

Fusión con muones: la fusión nuclear perfecta, pero lejos de la rentabilidad

En ciencia algunos de los avances más notables son fruto del azar. Aunque, eso sí, la casualidad en este ámbito aparece si la propicias. Os cuento esto porque, curiosamente, el método que los científicos consideran más eficiente desde la perspectiva de la temperatura para llevar a cabo la fusión nuclear fue predicho por los físicos teóricos Andrei Sakharov y Frederick Charles Frank, ruso el primero y británico el segundo, en la década de los años cuarenta del siglo pasado. Y ya ha llovido desde entonces. Pero lo interesante es que la confirmación de su hallazgo llegó algo después, en 1956, de la mano de un experimento llevado a cabo por Luis Walter Álvarez, un físico experimental estadounidense con antepasados españoles, en Berkeley.

L. W. Álvarez estaba utilizando la cámara de burbujas de la universidad para estudiar la interacción de los muones con el hidrógeno líquido que contenía el depósito de la cámara. Antes de seguir adelante nos interesa saber que una cámara de burbujas no es otra cosa que un depósito, normalmente lleno de hidrógeno líquido ligeramente por debajo de su temperatura de ebullición, diseñado para estudiar partículas con carga eléctrica.

Atlas Este es el aspecto de ATLAS, el detector de muones del CERN, en Ginebra (Suiza).

Su funcionamiento es relativamente sencillo: al introducir una partícula cargada el líquido alcanza su punto de ebullición y la partícula deja un rastro de burbujas que es posible percibir, y que permite estudiar algunas de sus propiedades, como su masa o su carga.

Sin pretenderlo realmente, Álvarez se topó de bruces con la fusión inducida por muones. Un muon es una partícula elemental que tiene la misma carga negativa de un electrón, pero que se diferencia de este en dos propiedades muy importantes: su masa es doscientas veces mayor que la del electrón y gira en una órbita que está doscientas veces más cerca del núcleo atómico.

Los muones son partículas con la carga de los electrones, pero su masa es doscientas veces mayor que la de estos últimos

Si introducimos un muon en un recipiente junto a un núcleo de deuterio y otro de tritio, el muon ocupará el lugar de un electrón, pero quedará mucho más cerca del protón del núcleo (recordemos que el deuterio y el tritio son isótopos del hidrógeno y tienen un único protón en el núcleo) de lo que lo estaba el electrón original.

Como el muon tiene carga negativa y la del protón es positiva, dada su mucha mayor proximidad frente a la órbita del electrón, la carga del protón se ve neutralizada, de manera que cabe la posibilidad de que otro protón cercano se acerque al protón rodeado por el muon. Si la carga de este último ha sido neutralizada y ambos protones se acercan lo suficiente, es posible que la interacción nuclear fuerte entre en acción y se produzca la fusión de ambos núcleos, con la consiguiente liberación de energía, tal y como vimos en el primer artículo que dedicamos a la fusión nuclear.

Todo esto significa, sencillamente, que si colocamos en un contenedor una mezcla de deuterio y tritio, e introducimos un muon, esta última partícula provocará la fusión de un núcleo de deuterio y otro de tritio. Se liberará mucha energía, como hemos visto, y, además, el muon no se consumirá. De hecho, una de estas partículas puede intervenir en hasta dos centenares de fusiones antes de desintegrarse. Pero las ventajas de la fusión catalizada por muones no acaban aquí.

Camara Este es el aspecto de una cámara de burbujas similar a la que utilizó L. W. Álvarez en su experimento. Esta, en particular, perteneció al Laboratorio Nacional Fermi, en Chicago, aunque ya no está operativa.

Para fusionar deuterio y tritio utilizando como catalizador un muon los núcleos de los dos primeros elementos no tienen por qué estar a los doscientos millones de grados centígrados que requiere la fusión nuclear mediante confinamiento magnético. Basta que estén a una temperatura de unos quinientos grados centígrados, que no es nada comparado con esos doscientos millones de grados. De hecho, esta es la razón por la que esta forma de fusión suele conocerse como «fusión fría», incluso aunque realmente no sea del todo fría.

Como veis, hasta aquí todo pinta de maravilla. Pero hay dos restricciones lo suficientemente importantes como para que este procedimiento de fusión no sea rentable. Al menos, hasta este momento. Por un lado, los muones se desintegran al alcanzar una cifra cercana a las doscientas fusiones, y, por otra parte, para obtener un muon necesitamos colisionar partículas e invertir en este proceso aproximadamente doscientas veces la energía que obtendremos como resultado de la fusión nuclear. En estas condiciones, obviamente, este proceso no es rentable desde un punto de vista energético.

La fusión «fría» inducida por muones actualmente no es rentable porque resolverlo atenta contra la física fundamental, pero nunca se sabe qué sucederá en el futuro...

La única forma de alcanzar un balance energético positivo durante este proceso requiere encontrar la manera de que los muones no se desintegren después de esas aproximadamente doscientas fusiones. Y, por el momento, esta posibilidad atenta contra la física fundamental.

Aun así, si alguien encuentra la forma de que un muon permita alcanzar una cantidad de fusiones superior a esas doscientas, la fusión inducida por estas partículas será rentable. Y nuestras necesidades energéticas serán, por fin, resueltas durante los trece millones de años de los que os he hablado en las primeras líneas de este artículo. Pero esto, desafortunadamente, hoy solo es ciencia ficción.

El impacto medioambiental de lo nuclear

Todo parece indicar que a los combustibles fósiles les «queda cuerda para rato». Llevamos mucho tiempo leyendo y escuchando en los medios de comunicación que las reservas de petróleo solo perdurarán un puñado de décadas, pero, al parecer, los expertos no se ponen de acuerdo acerca del volumen de las reservas de los países que mandan en este mercado, en gran parte porque a muchos estados no les interesa hacer público su stock.

Además, la irrupción del fracking, una técnica muy discutida por su posible implicación en movimientos sísmicos, y también por su potencial contaminante, parece estar ayudando a Estados Unidos a incrementar sustancialmente sus reservas de crudo. De hecho, un informe elaborado por la consultora noruega Rystad Energy revela que la mayor parte de las bolsas de petróleo de Norteamérica todavía no se han descubierto, por lo que podría quedar mucho más petróleo del que los expertos intuían hace unos años.

Fracking Las zonas rojas del mapa identifican aquellas con un mayor riesgo de terremotos, y los recuadros azules muestran en qué ubicaciones se está practicando el fracking (Fuente: USGS).

Pero esto no es todo. Y es que el petróleo no es el único combustible fósil que estamos utilizando. También obtenemos energía a partir del gas natural, los petróleos no convencionales, los gases de esquisto, las arenas bituminosas y muchos otros recursos que parecen indicar que, a medio plazo, no tenemos por qué preocuparnos de las reservas de hidrocarburos. De hecho, Steve Cowley, el físico que abandera la fusión nuclear y al que he mencionado varias veces en mis artículos, asegura que los combustibles fósiles pueden proporcionarnos energía durante al menos dos siglos más. Pero no lo afirma con esperanza. Lo dice con consternación.

Y es que lo que en principio parece una buena noticia puede no serlo tanto si nos planteamos qué impacto tendrá en el medioambiente la quema de hidrocarburos al ritmo actual, o a uno superior incluso, durante décadas. Dejando a un lado la discusión acerca de la influencia del hombre en el cambio climático, lo que es evidente es que seguir recurriendo a los combustibles fósiles durante muchas décadas más puede ser arriesgado, aun asumiendo que todavía no disponemos del conocimiento necesario para cuantificar este riesgo y sus posibles consecuencias con precisión.

Algunos expertos aseguran que los combustibles fósiles pueden proporcionarnos energía durante al menos dos siglos más, pero esto es un arma de doble filo

Precisamente, es en este escenario en el que adquiere peso la fusión nuclear como la fuente de obtención de energía limpia y segura que los científicos esperan que sea. Es limpia porque, como hemos visto en los otros artículos, el producto de la fusión es un átomo de helio, que es estable, y, por tanto, no es radiactivo, y un neutrón de alta energía. Este último escapará al campo magnético que confina el plasma y acabará chocando con las paredes del contenedor, que estarán recubiertas de litio con el objetivo de generar nuevo tritio que se reutilizará en la reacción de fusión.

Esta estrategia plantea un problema desde el punto de vista de los residuos: esos neutrones de alta energía pueden chocar con los núcleos de las paredes del contenedor, degradando así el material y volviéndolo radiactivo. Precisamente, este es el hándicap que están intentando resolver, o, al menos, atenuar, los científicos en el proyecto IFMIF-DONES. Pero, en el peor de los casos, los residuos de la fusión nuclear plantean un problema de relevancia muy inferior a la de los resultantes de la fisión nuclear.

Ifmif Dones La instalación IFMIF para la que se está postulando Granada contará con dos aceleradores capaces de acelerar una corriente de 125 mA de deuterones hasta 40 MeV. Construirlos es un reto tecnológico de proporciones casi épicas.

La radiactividad de los materiales utilizados en las paredes del contenedor será mil veces inferior a la del plutonio que obtenemos en las centrales de fisión nuclear actuales. Además, su vida media es de aproximadamente diez años, y en un siglo esos materiales serían completamente inocuos. Como veis, este panorama es mucho más fácil de defender que el planteado por la fisión; pero, aun así, los técnicos tienen la esperanza de que IFMIF-DONES nos permita reducir aún más los residuos de la fusión.

El reactor de fusión nuclear de ITER contendrá en un instante determinado menos de 1 gramo de combustible

Por otro lado, para entender por qué la fusión nuclear es segura solo debemos tener en cuenta que en el interior del reactor en un instante dado hay menos de un gramo de combustible. Por mucho que el contenedor tenga un volumen de más de mil metros cúbicos, como en ITER. Si se produjese un accidente, solo tendríamos que dejar de suministrar combustible al reactor, y la fusión se detendría enseguida.

Además, las condiciones para llevar a cabo la reacción son tan exigentes en lo que concierne a la temperatura que cualquier inestabilidad provocará la detención del proceso, que, por otra parte, como hemos visto en los otros artículos, no puede poner en marcha ningún tipo de reacción en cadena.

La energía y el desarrollo humano

Antes de concluir el artículo me parece importante dedicar unas líneas al papel esencial que ejerce la energía en el desarrollo humano. Steve Cowley inició la conferencia en la que tuve la oportunidad de conocerlo tratando este tema. Antes incluso de empezar a hablar de física e ingeniería. Y es que el esfuerzo que el ser humano está haciendo para intentar que la fusión nuclear funcione tiene sentido si realmente conseguimos utilizarla para resolver nuestras necesidades energéticas. Pero no solo las de los países desarrollados, sino también las de las naciones más pobres que actualmente están asoladas por la ausencia de oportunidades que provoca, entre otros factores, la carencia de energía.

Para mejorar su nivel de vida estas personas necesitan consumir más energía que aquella de la que disponen actualmente. Es una idea intuitiva que todos podemos comprender sin esfuerzo. Pero, además, existen una infinidad de informes llevados a cabo por autoridades académicas e investigadores que relacionan con precisión matemática la dependencia que existe entre la calidad de vida y la tasa de retorno energético (en la literatura suele aparecer como EROI porque deriva de la denominación anglosajona Energy Return On Investment).

Eroi 1 Esta gráfica revela en qué medida la calidad de vida de una sociedad concreta depende de la tasa de retorno energético (Fuente: «Energy, EROI and quality of life», de ScienceDirect).

Esta tasa está cimentada sobre dos conceptos que hemos manejado en varias ocasiones al hablar de la fusión nuclear debido a que relaciona la energía total que obtenemos a partir de una fuente y la energía que debemos invertir en el proceso para utilizar ese recurso. El EROI no es más que el cociente de estos dos valores, por lo que lo ideal es que el resultado sea mayor que uno, teniendo en cuenta que en el numerador colocamos la energía que obtenemos, y en el denominador la energía que invertimos. Un resultado mayor que uno revela un balance energético positivo, algo que ya pudimos alcanzar con la fusión nuclear durante el experimento llevado a cabo en el JET en 1997.

El deuterio y el litio son dos elementos muy abundantes en la naturaleza, que, además, podemos extraer del agua del mar

Posiblemente, cuando la fusión nuclear sea viable desde un punto de vista comercial solo un puñado de países dispondrá de la tecnología necesaria para diseñar y construir los reactores de fusión. Sin embargo, el combustible estará a disposición de un número muy amplio de naciones porque se extraerá mayoritariamente del agua del mar, lo que contribuirá decisivamente a democratizar la fusión nuclear, y, por tanto, a poner la energía a disposición de muchos más millones de personas que en la actualidad.

Eroi 2 Estos dos gráficos circulares reflejan cuáles son las fuentes de energía más utilizadas por las personas que sobreviven en los países en vías de desarrollo con unos ingresos inferiores a los dos dólares al día (Fuente: IEA Analysis).

El deuterio es un isótopo del hidrógeno muy abundante. De hecho, podemos encontrar 34 gramos en cada metro cúbico de agua de mar. Los océanos son también una fuente muy importante de litio, y, teniendo estos dos elementos, la fusión ya es posible. Y lo es porque, aunque el tritio es muy escaso e inestable, en realidad necesitamos muy poco debido a que podemos obtenerlo dentro de la propia reacción de fusión, como hemos visto.

La fusión nuclear es, sin duda alguna, uno de los mayores retos científicos y técnicos que la humanidad tiene por delante. Pero también es una de las mayores oportunidades a nuestro alcance. La oportunidad de obtener la energía que necesitaremos en el futuro. La oportunidad de conseguirla respetando mucho más el medioambiente de lo que lo hacemos actualmente. Y la oportunidad de poner la energía a disposición de muchas más personas, y, así, de igualar oportunidades. Ojalá muchas otras innovaciones técnicas pudiesen permitirnos esbozar un sueño como este.

Imágenes | NASA | TDC | ORNL | IFMIF-DONES | Svdmolen
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