EE.UU., más cerca de la energía de fusión eficiente

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La energía de fusión nuclear, en cuatro claves

⚛ Hasta ahora, producimos energía atómica ‘rompiendo’ el núcleo de los átomos. La energía de fusión hace lo contrario. Se trata de unir los núcleos de dos átomos de hidrógeno, los más sencillos (y muy abundantes). Se utilizan dos tipos (isótopos) de hidrógeno: deuterio y tritio. De ahí sale muchísima energía. 10 millones de veces más que con los combustibles fósiles.

? Pero hay un problema: Para unir núcleos de átomos ‘sueltos’ (fusión nuclear) se necesita, a su vez, muchísima energía, electricidad y calor. ¿De dónde lo sacamos? Hasta el momento no compensaba el proceso.

⚡️ Lo nuevo: En el laboratorio público Lawrence Livermore de EE.UU. dicen haber usado menos energía para iniciar la reacción del experimento que la que genera la fusión una vez en marcha. Es la primera vez que se alcanza una ‘ganancia neta’ usando láser a modo de ‘encendedor’ o bujía. Europa investiga otra tecnología de fusión.

? ¿Energía (casi) infinita? La fusión nuclear no crea energía de la nada, pero promete cubrir las necesidades energéticas de una familia durante 80 años con apenas el hidrógeno contenido en un vaso de agua, y de forma teóricamente limpia. Por ahora está en pañales, es cara, requiere de unas instalaciones extraordinarias, extraer y convertir litio en tritio radiactivo y produce residuos (aunque de baja actividad), lo cual pone en contra a grupos ecologistas.

El equipo que estudia la energía de fusión en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California (LNLL) ha confirmado la primera reacción de fusión en un entorno de laboratorio que en realidad produjo más energía de la que se necesitó para iniciar la reacción mediante el uso de rayos láser. Ocurrió el 5 de diciembre Instalación Nacional de Ignición (NIF) del laboratorio hicieron estallar con láseres un pequeño cilindro con una protuberancia congelada “del aspecto de una palomita de maíz (…) y poniéndola a 3 millones de grados” ha explicado este martes Jill Hruby, la responsable de la Administración de Seguridad Nuclear estadounidense.

Dentro de la cápsula, isótopos (formas inestables) de hidrógeno encerrados en diamante. “Después de 60 años (…) redefinimos las fronteras de lo que es posible”, ha dicho Hruby en rueda de prensa. “Durante un breve tiempo, hemos simulado el interior de las estrellas“.

“Durante un breve tiempo, hemos simulado el interior de las estrellas“
Jill Hruby, Administración de Seguridad Nuclear estadounidense.

Las centrales nucleares producen energía de fisión. Es decir, ‘rompiendo’ núcleos de algunos átomos, que liberan mucha energía en el proceso. Sin embargo, hacer lo contrario, sería mucho más eficiente: unir o fusionar núcleos de átomos. Átomos de hidrógeno, en concreto, una sustancia ligera y muy abundante en el universo. La energía de fusión tiene un potencial del orden de 10 millones de veces más que el de los combustibles fósiles.

Entre 2 y 3 gramos de hidrógeno producirían la misma energía que el carbón que cabe en un estadio olímpico. O, como dice a Newtral.es la investigadora en fusión nuclear Eleonora Viezzer (US), que hoy recibe el premio de la Real Sociedad de Física-FBBVA, “el hidrógeno de un vaso de agua bastaría para suministrar la electricidad y el calor que una familia de cuatro miembros tipo usa en 80 años”.

Esto es justo lo que hacen las estrellas para brillar durante millones de años antes de apagarse. Pero no es fácil construir un Sol en la Tierra. Por eso, un anuncio en este sentido causa tanta expectación. Y ha sido hecho por los responsables de agencias federales. Es una apuesta científica y estratégica del gobierno de los Estados Unidos.

Para esta científica, la noticia “ha sido y no ha sido una sorpresa porque estaba al caer”. 2021 y 2022 ha traído avances en energía de fusión muy claros, tanto en los experimentos de Estados Unidos como en los Europa que, a su juicio, serán los siguientes en traernos buenas noticias. “El objetivo del proyecto ITER (al 80% de su construcción, en Francia) es conseguir 10 veces más energía de la que se necesita para que funcione”.

Hito histórico sí, pero…

¿Realmente se ha empleado menos energía de la que se ha obtenido? Si contamos la electricidad necesaria para hacer funcionar el laboratorio y los láseres, no se ha logrado. Más de 300 megajulios con cada disparo en consumo eléctrico frente a los poco más de 3 obtenidos (una pérdida de energía neta del 99%). Pero el experimento no iba de eso. Trataba de medir si en el proceso físico de fusión se conseguía. Y eso sí se ha logrado.

¿Realmente han producido tanta energía? Depende de cómo lo miremos. En términos relativos, ha producido 1,5 veces más energía que la introducida. Pero en este experimento apenas han logrado la capacidad de calentar unos 7 u 8 litros de agua hasta hervir. Esto, sin contar con que no es lo mismo lo que se mide en las condiciones de laboratorio que la potencia de salida que terminaría ofreciendo una central de producción de electricidad, con todas las pérdidas y requerimientos de energía que se producen por el camino. Una vez más, quizás no dos daría para hacernos mucho más que un café o un té en condiciones más reales. En el experimento JET (Reino Unido), con tecnología que no usa láseres para la fusión, se consiguieron 59 megajulios durante cinco minutos.

¿Realmente basta un vaso de agua como combustible? No. Los isótopos deuterio y tritio son hidrógeno (H). Y el hidrógeno se puede sacar del agua. Pero, no todo el hidrógeno es deuterio ni tritio. Por ejemplo, sólo uno de cada 7.000 átomos de H son deuterio en la naturaleza. De todas formas, siguen siendo muchísimos a nuestra disposición. El tritio, por su parte, proviene del litio, requiere de minería. Pero un gramo de litio basta para cubrir las necesidades energéticas de una persona al año, como explica aquí Joaquín Sánchez, presidente de la Plataforma Tecnológica de Fusión. Eso sí, para convertir el litio en tritio se suele tirar de la energía de fisión, la de las centrales nucleares actuales.

¿Realmente es tan limpia? Definitivamente, no produce un solo gramo de dióxido de carbono (CO2) o metano (CH4) en el momento de la producción de calor y, consecuentemente, electricidad. En esto es igual que la otra energía nuclear, la de fisión de las centrales atómicas. Otra cosa es la huella de carbono que deje la fabricación de estas plantas o la infraestructura de transporte de la energía. El único producto de la reacción es helio (H2), gas inocuo al emitirse a la atmósfera, con el que se llenan los globos. En el proceso, eso sí, se generan neutrones. Al chocar con las paredes del reactor, convierten a lo que tocan en radiactivo. Pero los residuos son menos calientes y duraderos que los de las centrales actuales de fisión. Y el tritio del combustible es también radiactivo, aunque a gran distancia del uranio, por ejemplo.

La energía prometida que se nos ha resistido

Conseguir energía de fusión en la Tierra tiene dos grandes retos: Que no haya que gastar más energía en iniciar el sistema que la que se obtiene de la fusión (tener ganancia neta). Y contar con infraestructuras y tecnologías que impidan que las plantas de producción, literalmente, se derritan. Las temperaturas necesarias para conseguir completar el proceso en nuestro planeta deberían llegar a los 200 millones de grados centígrados. “Es como tener un Sol en la Tierra”.

La energía de fusión mantiene encendidas las estrellas. 200 ml de combustible sirven para las necesidades de una familia durante casi toda su vida.

Según el laboratorio estadounudense, esto se ha conseguido gracias a una serie de rayos láser que ‘apenas’ han requerido 2,05 megajulios de energía para funcionar. El sistema devolvió unos 3,1 megajulios. Las cuentas salen, balance positivo. En un breve instante, que duró menos de 100 billonésimas de segundo, 2,05 megajulios de energía (como medio kilo de dinamita) bombardearon la bolita de hidrógeno. Salió una avalancha de neutrones equivalente a la energía de unos 0,7 kg de dinamita.

1,5 veces más energía de salida que de entrada. Aquello cruzó el umbral que en energía fusión láser se llama ignición: la línea divisoria donde la energía generada por la fusión es igual a la energía de los láseres entrantes que inician la reacción.

A principios de 2022, el Joint European Torus (JET), liderado por el Reino Unido, logró 59 megajulios durante cinco segundos con otra tecnología. Lo presentaron como el equivalente a la energía necesaria para hervir el agua de 60 teteras. La cuestión es que no fue fácil ni eficiente ‘arrancar el hervidor’, que consumió el doble de energía que la generada. Por seguir con el ‘índice-tetera’, lo logrado en EE.UU. ahora apenas daría para unos pocos juegos de tazas de té. Alrededor de 0,8 kWh, que también equivale a una bombilla led encendida todo el día.

Desde Mánchester, la investigadora en energía de fusión en el ISIS, Aneeqa Khan, explica que “este es un gran resultado científico, pero todavía estamos lejos de la fusión comercial”. La ganancia de energía neta debe tener en cuenta todas las ineficiencias de la planta en el mundo real. Y una planta así no es una central atómica convencional, precisamente. “Presenta muchos desafíos de ingeniería y materiales”.

Tecnologías distintas en busca de la supremacía de la energía de fusión

Europa trabaja en proyectos con otras tecnologías distintas al láser estadounidense. Fundamentalmente, consisten en hacer levitar con imanes el plasma caliente (gas ionizado del combustible) para que no tenga que tocar las paredes de la vasija y achicharrarla. Se llama ‘confinamiento magnético‘, como en el caso del JET británico.

La mayoría de los esfuerzos en energía de fusión hasta la fecha han empleado reactores en forma de rosquilla, conocidos como tokamaks. Dentro de los reactores, el gas de hidrógeno se calienta a temperaturas lo suficientemente altas como para que los electrones se desprendan de los núcleos de hidrógeno. Ahí se forma el plasma. Los campos magnéticos confinan el plasma dentro de una especie de rosquilla flotante y los núcleos se fusionan. Ahí es donde se libera energía de fusión en forma de neutrones que escapan hacia afuera.

El NIF americano lo hace de otra forma, llamada ‘confinamiento inercial’. Usa 192 láseres gigantes que disparan simultáneamente a un cilindro de metal del tamaño de una goma de lápiz. El cilindro se calienta a casi 3 millones de grados. Se vaporiza, generando una implosión de rayos X. Esa implosión calienta y comprime una bolita del tamaño de un perdigón que hay en su interior. Y, a su vez, dentro de la bola se contiene el deuterio y el tritio congelados, las formas más pesadas de hidrógeno. La implosión fusiona el hidrógeno, dando por resultado helio (inocuo) y neutrones, creando la fusión.

Ventajas e inconvenientes de la energía de fusión

“La consecución práctica de la energía de fusión nuclear es uno de los grandes desafíos de la humanidad del siglo XXI”, afirma sin dudarlo Carlos Hidalgo, responsable del Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT. Apenas genera residuos radiactivos y los que produce tienen menos actividad y vida que los que se derivan de las actuales centrales de fisión, confirman desde el Foro Nuclear Español.

“Se trata de un enorme paso para creer que efectivamente esta puede ser la fuente de alta densidad de energía masiva y concentrada que necesita la humanidad”, asegura por su parte el veterano físico José Manuel Perlado Martín, presidente del Instituto de Física Nuclear Guillermo Velarde (IFN-GV) en el SMC de España.

Aún queda mucho para tener centrales de fusión más eficientes que las condiciones de laboratorio de este experimento, mientras el planeta exige energías limpias ya.

Puede ser, en el futuro, una fuente prácticamente inagotable de producción de electricidad, puesto que su combustible son esos isótopos del hidrógeno (deuterio y tritio), que son muy abundantes en la naturaleza. El primero se saca del agua. El segundo, del litio –que está en la corteza terrestre–. Sin embargo son conocidos los impactos sociales y ambientales de la extracción de este mineral, usado en las baterías.

Para Perlado, “está claro que queda aún por recorrer el camino de hacer efectiva esta energía de fusión“. Pero supone que la tecnología de láser marca un camino por el que seguir investigando. Entretanto, ¿sigue siendo una eterna promesa?

Aneeqa Khan es clara: “ya es demasiado tarde para hacer frente a la crisis climática [con la energía de fusión], ya nos enfrentamos a la devastación del cambio climático a escala mundial. A corto plazo, debemos utilizar tecnologías bajas en carbono existentes, como la fisión y las energías renovables, mientras invertimos en fusión a largo plazo, para ser parte de una combinación energética diversa baja en carbono”, concluye, en contraposición con la mayoría de grupos ecologistas, que temen que seguir invirtiendo en nuclear nos desvía de los esfuerzos en renovables y el decrecimiento necesario para recortar con urgencia las emisiones de carbono.