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Por: Juan David Díaz y María Carolina Cantillo

“¿Quiénes son los pioneros de la fusión que pretenden, como Prometeo, robar a los cielos el secreto del fuego? ¿Los individuos lo bastante audaces -algunos dirían "lo bastante locos"- como para intentar traer la energía de las estrellas a la Tierra?” 

-Arthur Turrell 

The Star Builders 

El desarrollo y los avances tecnológicos que han llevado a la humanidad a niveles antes inimaginables no siempre han sido impulsados por buenas razones, de hecho, tan solo el siglo pasado fueron impulsados por las guerras mundiales, la carrera espacial y la constante amenaza nuclear. Todo parece indicar que son los momentos de vida o muerte los que llevan a los científicos y gobiernos a apuntar hacia la investigación y el desarrollo, pero lo de ver quién llega a la luna primero ya es cosa del pasado ahora la carrera es de tipo energética y lo que importa es ver quién tendrá la mejor solución para salvar el planeta antes que sea demasiado tarde. Entre las principales alternativas en desarrollo podemos destacar tres: las energías renovables, la fisión y la fusión nuclear. 

A manera de comparación: 

Las energías renovables se centran en tomar los recursos naturales ya existentes que pueden reponerse más rápido de lo que llegan a consumirse como son el agua, el aire, el sol o el oleaje. Por otro lado, tenemos la fisión y la fusión: la primera se basa en dividir el núcleo de un átomo en núcleos más pequeños, contrario a lo que ocurre en la segunda donde se unen dos núcleos de átomos ligeros para producir uno más complejo.  

De la tres, hasta hace poco la menos desarrollada era la fusión nuclear pero las cosas están cambiando. A finales del año pasado (2022) pasó a ser el centro de atención cuando rompió un récord importante en la carrera energética, por primera vez los científicos habrían logrado la Ignición. 

Resulta que la Instalación Nacional de Ignición de Estados Unidos (NIF), conocida como la mayor instalación de fusión nuclear del mundo, utilizó 192 láseres para lanzar 2,05 MJ de energía sobre un cilindro de oro del tamaño de un grano de arroz obteniendo unos 3,15 MJ de energía de vuelta, es decir salió un 54% más energía de la que entró en la reacción, y más del doble del récord anterior de 1,3 MJ ​[1]​. A este fenómeno se le conoce como ignición y ocurre al crear una reacción nuclear que de cierta manera “genera más energía de la que consume”. 

Ilustración 1. Gráfica de razón de energía eléctrica producida / energía térmica saliente. 

¿Pero entonces el NIF estaría rompiendo las bases de la conservación de energía? 

En realidad, no. En este espacio desarrollaremos los conceptos principales y cosas a saber sobre la revolución energética que significaría aplicar la fusión nuclear como método alternativo, pero antes:  

¿Cómo se lleva a cabo la fusión nuclear? 

El principio fundamental de la fusión nuclear es la combinación de los núcleos atómicos de dos átomos formando un único átomo de un elemento más pesado. Como se mencionó anteriormente, este proceso es el que permite la existencia misma de las estrellas, cuyos combustibles son los átomos de hidrógeno que se fusionan en su interior para formar partículas de helio, desprendiendo inmensas cantidades de energía y calor en el proceso, procedentes de la energía interna de los átomos. 

Llevarlo a cabo suena realmente sencillo, pero posee sus dificultades, especialmente en la superación de las fuerzas de repulsión ejercidas por los núcleos atómicos (recordemos que el núcleo de un átomo se compone por protones y neutrones), al encontrarse dos partículas de carga positiva relativamente cerca, estas tienden a desplazarse en direcciones opuestas. Por tanto, debemos superar esta fuerza de repulsión que impediría la colisión y posterior fusión de los núcleos atómicos. ¿Cómo haríamos esto? El misterio se resuelve al estudiar las características de las estrellas, el ejemplar más cercano es nuestro Sol, la magia sucede en su núcleo, que se encuentra aproximadamente a 15 millones de °C (es decir 3000 veces la temperatura del núcleo de la Tierra), allí ocurren las reacciones termonucleares que producen que los átomos se encuentren en estado plasmático venciendo así las interacciones de repulsión entre los núcleos atómicos de los átomos de hidrógeno, fusionándolos y generando finalmente energía y partículas de Helio. 

Por si fuera poco, el Sol es además capaz de transformar los protones en neutrones, tratar de imitar esto en el laboratorio resulta considerablemente complejo, para su solución se propuso el uso de isótopos de Hidrógeno: el deuterio (D) y el tritio (T). Isótopos que ya contienen el número necesario de protones y neutrones para llevar a cabo el proceso, esto se realiza a través de la siguiente reacción: 

Este proceso requiere que se ejecute en un entorno plasmático D-T a una temperatura de entre 150-200 millones °C. Casi 10-15 veces la temperatura del centro del sol. Para la generación de 17,6 MeV17,6, que pueden convertirse en energía eléctrica a través de tecnologías convencionales basadas en el Ciclo de Carnot. Otra ventaja reside en la eficiencia de producción, en la que un solo litro de agua de mar que contenga deuterio puede producir la misma cantidad de energía que produciría la quema de 250 litros de combustibles fósiles ​[2]​. 

Otro punto importante por aclarar es que en realidad no estamos violando la ley de la conservación de la energía puesto que, durante una reacción de fusión nuclear, la masa del átomo resultante combinado es menor que la de los dos átomos originales. Sin embargo, debido a la conocida ley de equivalencia masa-energía establecida por Einstein -> E=mc2 

Donde, 

E= energía 

m= masa 

c= velocidad de la luz 

Si se calcula la equivalencia de masa a partir de la energía liberada, ésta sería igual a la masa que falta. Por tanto, una reacción de fusión nuclear continúa cumpliendo con la ley de conservación de la masa (y de la energía). 

Diferencia Fisión vs Fusión 

Actualmente, la producción de electricidad se ve dominada por la técnica de fisión nuclear, que no debe confundirse con la fusión nuclear, ya que se pueden catalogar como procesos inversos. 

Ilustración 2. Representación gráfica de la fisión y la fusión nuclear. 

Fisión Nuclear 

Consiste en el bombardeo de partículas concentradas en el núcleo de un átomo pesado con el objetivo de forzar la separación de protones que liberan energía y calor, formando elementos más ligeros, este proceso puede producir fragmentos binarios o ternarios, los cuales pueden funcionar como combustible para procesos de fisión adicionales y partículas radioactivas ​[3]​. En el mercado energético actual, el elemento dominante para la práctica de fisión es el Uranio, esto debido a su considerable inestabilidad que facilita el proceso de fisión, si se realiza un control riguroso sobre la muestra y se encuentra en un medio rico en átomos de Uranio se puede aprovechar el efecto de reacción en cadena para la producción de nuevas fisiones. 

La fisión es al menos 52,3 % más eficiente con un factor de capacidad de 92,5 % en comparación con la quema de carbón, esto indica que para la producción de un 1 GW de energía en un solo reactor de fisión, se requerirían al menos dos centrales de carbón para producir la misma cantidad de energía ​[4]​, mirando esta comparación se puede hacer una idea de la efectividad del proceso. 

Sin embargo, uno de sus principales problemas es la producción de partículas radioactivas generadas por la formación de átomos inestables durante la separación de partículas. Esto supone la exposición a elementos que poseen diferentes niveles de riesgo de radiación que deben ser almacenados debido a que no se han desarrollado métodos para su reciclaje, el periodo de vida de dichos residuos oscila entre los 5 años hasta los 100 años ​[5]​. Siguiendo los estándares de sostenibilidad y eficacia a largo plazo, no resulta especialmente atractivo el hecho de que se deba desperdiciar material potencialmente riesgoso para el ambiente, problemática que la fusión nuclear puede solucionar.  

Aún con sus desventajas cabe destacar que las cantidades de producción de energía eléctrica y el control riguroso del material de fisión permiten que este proceso siga manteniéndose como una propuesta de energía alternativa. 

Aquí se muestra un cuadro comparativo entre el proceso de fisión y fusión nuclear: 

Inconvenientes principales y soluciones 

Con respecto a la fusión los principales retos ingenieriles que se deben superar para permitir la existencia de este proceso como una técnica viable de generación de energía eléctrica se pueden resumir en dos puntos: 

1. Generar un entorno confinado de alta presión extremadamente caliente que supere incluso, la temperatura del centro del Sol para asegurar el estado plasmático de los isótopos de hidrógeno 

1. Restringir los efectos termonucleares dentro de un espacio cerrado que no entre en contacto con las paredes del reactor nuclear, esto es de vital importancia puesto que el elemento con mayor punto de fusión conocido hasta la fecha es el carbono, con aproximadamente 3500°C.  

Tipos de fusión 

A pesar de estos problemas, el humano siempre se sobrepone y con el esfuerzo de muchos científicos y con el avance y los avances científicos que tomaron lugar en el siglo XX, se lograron desarrollar dos métodos convencionales para dar solución a estos problemas, cabe aclarar que ningún método es considerado mejor que el otro, ya que se siguen estudiando de cerca con la esperanza de encontrar el método definitivo que nos acerque a simular el proceso que mantiene a las estrellas con vida. Estos son la fusión inercial y la fusión magnética. 

• Fusión Inercial 

Este primer método consta en comprimir mediante láseres o haces de partículas una pequeña pastilla (compuesta de 50% T y 50% D) de manera que el combustible reaccione (generando microimplosiones) y con eso finalmente llevar a la explosión de la propia pastilla así liberando la energía deseada. 

Fusión inercial indirecta ​[6]​ 

Las capas más externas de la pastilla están formadas por un material que se evapora fácilmente generando una onda de choque esférica que se propaga hacia el interior y comprime la parte central de la pastilla. Se están investigando dos técnicas 

para obtener una irradiación simétrica de la cápsula de combustible: directa e indirecta: 

• Directa: se intenta obtener una irradiación uniforme de la pastilla de combustible mediante un gran número de rayos láser o iónicos que inciden directamente sobre la pastilla esférica. 

• Indirecta: La pastilla está contenida en un pequeño cilindro metálico con extremos abiertos llamado Hohlraum. Esta pieza es irradiada en su superficie interna con rayos láser o iones, estos transforman el cilindro metálico en plasma supercaliente que irradia rayos X, los mismos que son absorbidos posteriormente por la pastilla de combustible, implosionándola. La ventaja este método consiste en que la radiación incide sobre la pastilla de combustible de forma isotrópica, garantizando una implosión esférica de mejor calidad. 

Ilustración 3. Vistazo a la pieza de fusión inercial Holhraum. 

Separar la fase de compresión del proceso de ignición puede dar lugar a mayores ganancias. Esto se aplica en los planteamientos de ignición rápida e ignición de choque.  

• Ignición rápida: el punto caliente es creado por electrones relativistas (cercanos a la velocidad de la luz), protones de varios MeV o iones ligeros, producidos por un haz láser ultraintenso fuertemente enfocado​ [7]​ 

• Ignición de choque: los pulsos intensos de láser impulsan una onda de choque convergente que ayuda a crear un punto caliente en el centro del combustible.​ [7]​ 

• Fusión Magnética  

Como su propio nombre lo dice, esta técnica hace uso de campos magnéticos que mantienen a la nube plasmática de fusión, alejada de las paredes del reactor, esto se puede explicar mediante la Ley de las fuerzas de Lorentz, la cual propone que partículas cargadas expuestas a un campo magnético tienden a describir trayectorias helicoidales, mientras que las trayectorias perpendiculares son considerablemente restringidas. 

Se han propuesto dos diseños de reactores de fusión magnética, el tokamak y el stellarator. 

• Tokamak 

Consiste en una instalación en forma de dona que produce un campo magnético toroidal (que rota alrededor de un eje vertical), este se ve reforzado con una corriente externa de plasma poloidal (que rota alrededor de un eje horizontal) a una alta temperatura, cuya combinación con el campo principal produce un campo magnético helicoidal, dicha geometría limita la salida de partículas y calor de la nube plasmática que los contiene. Esta es la estructura más estudiada entre los reactores de fusión. Sin embargo, uno de sus principales problemas es la necesidad de incrementar el flujo de la corriente de plasma para garantizar su correcto funcionamiento. 

Figura 1. A la izquierda, instalación del ITER. A la derecha, un esquema estructural del tokamak junto a su clasificación de campos magnéticos. Tomado de ​[2]​ y de ​[8]​. 

• Stellarator 

Este trata de mitigar la necesidad de poseer una corriente de plasma que incrementa con el tiempo para el funcionamiento del reactor, esto a partir de la inclusión de válvulas helicoidales alrededor del plasma toroidal. No obstante, su geometría llega a ser compleja de construirse, además de que limita el acceso hacia el interior del recinto de fusión, problema que no presenta el Tokamak, para su solución se planteó el diseño de válvulas especiales retorcidas en sólo una sección de la estructura que permita el confinamiento de la nube de plasma a través de la interacción de los campos toroidales, poloidales y helicoidales. Pero su extravagante estructura le resta efectividad en la generación de energía eléctrica a comparación con el tokamak, se requiere un mayor estudio para su perfeccionamiento. 

Figura 2. Modelos de Stellarator. Tomados de ​[2]​ y de ​[9]​. 

Consecuencia de la fusión 

Ya que conocemos cómo se da la fusión nuclear es hora de tratar las ventajas, desventajas y consecuencias de llevar a cabo esta práctica 

• Obtención de recursos 

El deuterio se trata de un isótopo de hidrógeno no radiactivo abundante en el agua que puede ser extraído a través de métodos convencionales y accesibles. 

Por otro lado, el tritio disponible no es suficiente en la naturaleza por lo que debe obtenerse al bombardear una manta alrededor de la cámara de combustión que contiene un compuesto de litio. De este modo, T es un producto intermedio quemado en la fusión y el litio, como el deuterio, es un elemento ampliamente disponible en fuentes hídricas. 

• Seguridad 

La cantidad de combustible disponible en la fusión nuclear es suficiente 

por solo unos pocos segundos, en contraste con la fisión donde se almacena combustible para varios años de operación en el núcleo del reactor (siendo más propenso a accidentes). 

Los elementos empleados (D y Li) no son radioactivos en sí, sin embargo, el proceso debe realizarse en un compartimiento aislado debido a la radiación causada por T y los residuos de su reacción. Aun así, debe entenderse que la radioactividad no tiene que ser inherente a la fusión nuclear, en contraste con la fisión que conduce a peligros de larga duración y productos radiactivos. 

• Impacto ambiental 

Dado que la mayoría de sus componentes no emiten radiación ni atribuyen al efecto invernadero, el impacto al ambiente es mínimo. Una ventaja importante de la fusión es la ausencia de desperdicios radiactivos considerando que la eliminación adecuada de desechos de este tipo es especialmente difícil ya que los productos suelen ser volátiles, corrosivos o de larga duración.  

NIF y el futuro de la fusión 

De vuelta a los avances recientes, podemos determinar en base a la información explicada que el NIF se trata de un reactor de fusión nuclear inercial indirecta que recientemente ha demostrado llegar a niveles de producción energética antes inimaginables.  

Otro proyecto relevante al que hay que ponerle el ojo es el ITER, este se trata de nada más y nada menos que uno de los proyectos energéticos más ambiciosos de la actualidad, en el que colaboran para su financiación 35 países, este aparato consta de un Tokamak por lo que emplea fusión de tipo magnética. El objetivo principal de ITER es la investigación y demostración de la combustión de plasma, en los que la energía de los núcleos de helio producidos por las reacciones de fusión es suficiente para mantener la temperatura del plasma, eliminando así la necesidad de calentamiento externo. El ITER también probará la disponibilidad e integración de tecnologías esenciales para un reactor de fusión (como imanes superconductores, mantenimiento remoto y sistemas para agotar la energía del plasma) y la validez de los conceptos de módulos de reproducción de tritio que conducirían a un futuro reactor a tritio. autosuficiencia. Se espera que esta nueva tecnología entre en funcionamiento para el 2025 ​[10]​. 

Ya terminando es necesario resaltar que a pesar de que lo logrado en el último año es sin duda un gran primer paso en la fusión nuclear, continúa siendo insostenible económicamente aplicarlo como una energía alternativa convencional, es por esto que son requeridos muchísimas más investigaciones y ensayos al respecto. Y quién sabe, si quizás algún día replicar las estrellas nos lleve a la solución que permita preservar la vida en la Tierra como la conocemos. 

Reactor nuclear del NIF (Tomado de [6]) 

Tokamak ITER (Tomado de ​[10]​) 

Referencias 

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