Fusión nuclear

Aunque ya hablamos de los fundamentos de la fusión nuclear en el artículo del 1 de diciembre de 2020, las noticias de hace unas semanas sobre el éxito alcanzado en uno de los reactores que trabajan en este campo nos invitan a volver sobre el tema.

El mejor ejemplo de lo que es la fusión nuclear (del latín, fusio, unión o integración), son las reacciones nucleares que tienen lugar en el sol, donde los núcleos de hidrógeno se fusionan entre sí para formar núcleos de helio, liberando en el proceso una gran cantidad de energía en forma de radiación electromágnética, que nos llega a nosotros como luz y calor.

Dos esquemas suelen dar los libros para explicar este fenómeno. El primero se representa en la figura 1: cuatro núcleos de hidrógeno, con un protón cada uno, se fusionan dando lugar a uno de helio que tiene dos protones y dos neutrones, liberando energía y dos positrones que terminarán anulándose con dos electrones.

El segundo esquema que nos dan los libros, como se indica en la figura 2, parte de dos isótopos del hidrógeno que son el deuterio, con un neutrón y un protón, y el tritio, que tiene dos neutrones y un protón. El resultado es un núcleo de helio, un neutrón y una buena cantidad de energía.

Respondamos a algunas preguntas:

-¿Cuál es el combustible? El hidrógeno. Cuando se acabe el hidrógeno se acabará la vida del sol como nosotros la conocemos.

-¿De dónde sale la energía? De la pérdida de masa. En este proceso se produce una pérdida de masa cuya equivalencia en energía viene dada por la ecuación E = cm², siendo E la energía, m la masa y c la velocidad de la luz. Como la constante c es muy grande, las cantidades de energía que se obtienen cuando hay una pérdida de masa son también extraordinariamente elevadas.

-¿Por qué no hacemos lo mismo aquí en la tierra? Porque todo eso sucede a unas temperaturas del orden de 15 millones de grados. El proceso de unión de los dos protones que forman parte de un núcleo de helio es complicado. En primer lugar porque al tener cargas eléctricas del mismo signo se repelen y hacen falta temperaturas como la indicada para que aproximen entre sí suficientemente cerca unos a otros. Y en segundo lugar, porque por mucho que se aproximen siempre existirá entre ellos una barrera electrostática que impedirá que se unan, por lo que esta unión solo es posible por el llamado efecto túnel, un efecto que explica la física cuántica según el cual siempre hay una probabilidad de que algunos núcleos de hidrógeno puedan aparecer al otro lado de esta barrera, probabilidad que es muy baja pero suficiente para que algunos lo hagan y se unan entre sí formando un núcleo de helio.

A esa sopa caliente que hay en el interior del sol con núcleos de hidrógeno, núcleos de helio, electrones, protones y neutrones a temperaturas del orden de millones de grados se la llama plasma. Si consiguiéramos crear un plasma de estas características podríamos producir en la tierra energía de fusión, tan limpia desde el punto de vista medioambiental como la energía del sol y con un combustible tan abundante como el hidrógeno. Las máquinas que se utilizan para lograr este plasma se llaman reactores de fusión nuclear. En el mundo hay varios reactores de fusión pertenecientes a distintos países que trabajan con tecnologías más o menos diferentes: El NIF y el SPARC en Estados Unidos, el JET en el Reino Unido, el EAST en China, el JT Gosa en Japón y el KSTAR en Corea.

Pero la meta es tan ambiciosa que, además, se ha puesto en marcha un proyecto común que supera a todos los anteriores, en el que participan Estados Unidos, la Unión Europea, Rusia, China, India, Japón y República de Corea. Este proyecto se llama ITER (Reactor Termonuclear Experimental Internacional), se inició en el año 2007, tiene su sede y sus instalaciones en Cadarache (Francia), tiene un presupuesto de 24.000 millones de euros, y es el quinto proyecto por este concepto de todos los que se han hecho en el mundo.

El reactor elegido para el ITER es del tipo llamado Tokamak, que ya se ha probado en otros proyectos. Su primer diseño nació en Rusia y su característica más singular es que el recinto para confinar el plasma tiene forma toroidal, con un diámetro medio del toro de unos 13 m y una sección no circular de unos 6 m de altura. Con él se espera alcanzar temperaturas de 100 millones de grados centígrados, con una potencia térmica disponible diez veces mayor que la potencia necesaria para calentar el plasma. Como a esa temperatura el plasma no puede tocar las paredes del recinto, hay que mantenerlo confinado de esta forma utilizando grandes campos magnéticos. Para alcanzar la temperatura deseada, se crea un campo eléctrico en el propio plasma, que se convierte así en un conductor toroidal cuyos electrones colisionan entre sí y con los iones disipando enormes cantidades de energía que calientan todo el plasma elevando su temperatura. Cuando el plasma alcanza las condiciones necesarias los choques de los núcleos de hidrógeno producen núcleos de helio, y la energía que así se genera se puede aprovechar. Para que el reactor sea rentable se necesita que la energía generada sea superior a la que se gasta en todo el proceso.

La noticia que ha venido en la prensa el pasado mes de diciembre se refiere al éxito de un experimento hecho en el reactor norteamericano NIF, que está ubicado en California. Entre las diferencias que tiene con el ITER, destacan que la cámara donde se confina del plasma no es toroidal sino esférica, y que para provocar la ignición se utilizan rayos láser de gran potencia. La noticia ha consistido en que después de décadas de intentos infructuosos, se ha dado el balance de generar más energía que la gastada. Esto lo han interpretado algunos como si se hubiera generado energía de la nada. Si embargo no es así, pues este balance se refiere solo a la diferencia entre la energía liberada y la energía gastada por los rayos láser que manejan el plasma, sin tener en cuenta la energía almacenada en el combustible gastado y en la pérdida de masa. Esto ocurre porque el combustible, inicialmente el hidrógeno, del que se obtiene el deuterio con mucha facilidad y el tritio tras un proceso más complicado, es muy barato en comparación con el coste de poner en marcha el reactor y la energía que necesitan los láseres.

El paso que se ha dado es verdaderamente un paso de gigante en el desarrollo de esta nueva tecnología que abre la puerta a una energía limpia y segura, y los científicos que lo han conseguido merecen todas nuestras felicitaciones.

Fotografía: Vista de la cámara donde se pruduce la fusión nuclear en el reactor NIF. Como se puede ver no es toroidal como la del ITER sino más o menos esférica.