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11 octubre 2022

¿Qué fue de… la fusión nuclear?

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El 23 de marzo de 1989, una noticia esperanzadora se propagaba rápidamente hasta el último rincón del planeta: dos investigadores habían obtenido una “fuente de energía limpia y virtualmente inagotable” a través de un “experimento sorprendentemente simple”, según un comunicado de prensa distribuido entonces para divulgar el presunto descubrimiento.

Sólo unos 28 litros de agua de mar, el recurso que empleaba aquella técnica, eran suficientes para producir la misma energía que diez toneladas de carbón, afirmaban sus descubridores, Martin Fleischmann, de la Universidad de Southampton (Reino Unido), y Stanley Pons, de la Universidad de Utah (EE. UU.). El dispositivo creado por ambos era tan simple que parecía más propio de un laboratorio de colegio que del hallazgo más revolucionario en la historia de la energía.

Instalaciones del ITER, un gran reactor de fusión, en Francia. Crédito: ITER Organization/EJF Riche

Pero naturalmente, no fue el hallazgo más revolucionario en la historia de la energía. La llamada fusión fría fue uno de los mayores fiascos de la historia de la ciencia. Otros investigadores fueron incapaces de replicar los resultados de Fleischmann y Pons, y muchos se apresuraron a aclarar que no había fundamento teórico creíble que sustentara aquella proclama. Algunos investigadores continúan explorando esta línea, incluso con grave riesgo para su credibilidad como científicos. En 2019 Nature reveló que Google había destinado discretamente 10 millones de dólares a investigar la fusión fría, sin resultados. Pese a todo, ciertas anomalías detectadas en los experimentos aún mantienen vivo el caso.

Desde el punto de vista de los humanos, la fusión nuclear puede considerarse la fuente natural de energía más importante del universo, ya que sin ella no estaríamos aquí. El Sol fusiona protones, o núcleos de hidrógeno, para producir helio, liberando luz y calor y desprendiendo neutrones. Lleva haciéndolo casi 4.600 millones de años, y le queda combustible para al menos otro tanto. Desde el siglo XX, cuando se comprendió cómo funcionan las estrellas, el ser humano ha aspirado a reproducir el proceso de fusión de forma artificial. “Durante muchos años hemos conocido el inmenso potencial de la fusión”, señala a OpenMind Ian Chapman, primer directivo de la Autoridad de Energía Atómica de Reino Unido (UKAEA).

Construir pequeños soles en la Tierra

El proceso que tiene lugar en el Sol se produce a millones de grados. A esas temperaturas se forma un plasma que desaloja a los electrones de sus átomos y permite el acercamiento entre sí de los núcleos para consumar la fusión, ya sea empleando hidrógeno normal o sus isótopos deuterio (con dos neutrones) o tritio (con tres neutrones). Fleischmann y Pons alegaban que un proceso de electrolisis empleando paladio concentraba el deuterio en el metal hasta el grado necesario para provocar la fusión. Pero por desgracia, no es tan sencillo; para lograr un reactor de fusión los investigadores tienen que construir pequeños soles en la Tierra.

En el Sol tiene lugar un proceso de fusión a millones de grados. Crédito: Micolo J/Flicker

El más popular de los sistemas desarrollados hasta ahora es el tokamak, un reactor con forma de rosquilla que mantiene el plasma confinado en su interior por una corriente electromagnética interna. Esta es la opción elegida para el ITER, un gran reactor de fusión de 30 metros de diámetro que se construye en Cadarache (Francia) y que surge de un acuerdo firmado en 1985 por los entonces líderes de EE. UU., Ronald Reagan, y la URSS, Mijaíl Gorbachov. El ITER, en construcción desde 2007, está financiado por siete socios: la Unión Europea (más Suiza), EEUU, Rusia, China, India, Japón y Corea del Sur.

La complejidad del ITER ha retrasado sus previsiones de comienzo de inyección de plasma desde 2016 hasta 2025, y ha elevado su coste hasta unos estimados 13.000 millones de euros. En mayo de 2020 comenzó por fin el ensamblaje del tokamak, que según la planificación actual debería concluir en 2025. Pero una vez finalizado y en marcha, aún quedarán muchos retos por superar. Primero, que la energía producida por la fusión sea mayor que la invertida en ella; es decir, que produzca energía neta. Según explica a OpenMind el físico y periodista de ciencia de la revista Science Daniel Clery, autor del libro A Piece of the Sun: The Quest for Fusion Energy (Overlook, 2013), en los años 90 casi se logró llegar a este punto de equilibrio en el Joint European Torus (JET), el tokamak más grande del mundo, situado en Culham (Reino Unido) y gestionado por la UKAEA.

“La fusión es posible, pero no práctica”

“Tengo pocas dudas de que el ITER, cuando se termine, logrará esa meta, y que pueda incluso demostrar una ganancia de energía significativa”, dice Clery. Pero incluso entonces, aún quedarán otros desafíos antes de que el reactor pueda proveer energía a la red: “Los investigadores deberán encontrar cómo mantener el plasma estable y ardiendo durante largos períodos, cómo impedir que los neutrones de alta energía degraden la estructura del reactor, cómo producir tritio para usar como combustible, y otros innumerables problemas”, añade Clery. “Puede que la energía de fusión sea posible pero no práctica; nunca lo sabremos hasta que probemos, y a menos que los gobiernos y la industria energética inviertan más, pasarán décadas hasta que lo averigüemos”, concluye.

Interior del reactor con forma de rosquilla Joint European Torus (JET). Crédito: EFDA-JET

Chapman pone fechas y cifras: a comienzos de la década de los 30 el ITER producirá 500 megavatios consumiendo entre 50 y 100. El responsable de la UKAEA apunta que el ITER solucionará muchos de los problemas aún pendientes, con el apoyo de investigadores de otras instalaciones ya en funcionamiento, como el JET de Culham. “La hoja de ruta de la UE para la fusión anticipa energía de fusión de demostración en la red sobre 2050, y después plantas de energía comerciales”, resume.

Una promesa a largo plazo

Pero mientras el ITER prosigue su camino, los científicos trabajan en otras soluciones alternativas al tokamak. Entre las que funcionan también por confinamiento magnético destaca el stellarator, con una forma que recuerda a una cinta de Moebius, y donde el plasma se controla mediante bobinas externas. “Es más estable que el tokamak y permite un funcionamiento más prolongado”, expone a OpenMind Boudewijn van Milligen, investigador del Laboratorio Nacional de Fusión del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) de España, que alberga el stellarator TJ-II.

Para Van Milligen, también creador y administrador de la web FusionWiki, el stellarator y otros sistemas actualmente en desarrollo son alternativas muy importantes, aunque “es un poco difícil decir cuál va a ser el primero en conseguir la meta, la producción de electricidad para la red”. El físico destaca que todos los sistemas tienen problemas, “pero son problemas de ingeniería, no de principio”. Incluso con todos los obstáculos a superar, Van Milligen se muestra convencido de que la fusión no es una posibilidad, sino una promesa, aunque a largo plazo. “Puede llevar todavía muchos años, pero estamos en condiciones de afirmar que producirá energía neta”, dice. Y según Chapman: “Estamos en el tramo final de ese viaje”.

BBVA-OpenMind-Yanes- fusion nuclear_4 En el stellarator, que funciona también por confinamiento magnético, el plasma se controla mediante bobinas externas. Crédito: Wikimedia Commons
En el stellarator, que funciona también por confinamiento magnético, el plasma se controla mediante bobinas externas. Crédito: Wikimedia Commons

En los últimos años, la urgencia de encontrar nuevas soluciones energéticas para luchar contra el cambio climático ha acelerado la carrera hacia la fusión nuclear, atrayendo las miras de varias compañías privadas que compiten por el objetivo de llevar energía a la red en la década de los 30, una ambición que no pocos expertos creen inviable. En China, el gobierno ha aprobado la construcción de una planta que pretende generar energía de fusión en 2028, y que de hacerse realidad situaría a la gran potencia asiática en cabeza de esta promesa energética.

Mientras, las diversas instalaciones experimentales ya existentes continúan consiguiendo avances incrementales. En 2020 China puso en marcha su tokamak HL-2M, la mayor instalación de este tipo en aquel país. En 2021 los investigadores de la National Ignition Facility, en el Lawrence Livermore National Laboratory de California, lograron por primera vez una ignición de fusión, el punto en el que la reacción se vuelve autosostenida y por lo tanto se produce más energía de la que se consume, pero no lograron replicar el experimento. En Culham, en febrero de 2022 el JET consiguió producir 59 megajulios de energía durante 5 segundos, equivalente a 11 megavatios de potencia; no supone un gran aporte de energía, pero es un nuevo récord para el reactor británico. Sobre todo, los expertos señalan que el hito se ha conseguido gracias a una mejora en las paredes del reactor que aporta una valiosa innovación.

BBVA-OpenMind-Yanes- fusion nuclear_5 El reactor EAST chino alcanzó este 2022 una temperatura del plasma de 120 millones de grados durante 1.056 segundos. Crédito: Wikimedia Commons
El reactor EAST chino alcanzó este 2022 una temperatura del plasma de 120 millones de grados durante 1.056 segundos. Crédito: Wikimedia Commons

En 2021 el reactor EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, o HT-7U) de la Academia China de Ciencias alcanzó una temperatura del plasma de 120 millones de grados durante 101 segundos, una marca que el mismo reactor batió siete meses más tarde manteniendo el plasma durante 1.056 segundos. En Corea, el tokamak KSTAR ha logrado mantener el plasma a unos 100 millones de grados durante más de 20 segundos. Estas temperaturas superan entre seis y ocho veces las del núcleo del Sol. Aún son muchos los retos técnicos que resta superar; entre los expertos circula el viejo chiste de que la energía de fusión nuclear está a 30 años de distancia, y siempre lo estará. Tal vez en los próximos años veamos cómo esta cifra empieza a descender.

Javier Yanes

Nota del editor: artículo actualizado el 11 de octubre por Javier Yanes

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