La Fusión Nuclear ¿Será la energía futura?

Fusión de deuterio con tritio, por la cual se producen helio 4, se liberan un neutron  y se generan 17,59 MeV de energía, como cantidad de masa apropiada convertida de la energía cinética de los productos, según la fórmula E = Δm c². En realidad, lo que estamos intentando hacer, es copiar lo que hace el Sol y todas las estrellas del Universo.

El mundo, como el Universo mismo, funciona porque la energía está presente y hace posible los cambios y transiciones de fase que se producen en las cosas, en los planetas y en las estrellas que, con el paso del tiempo van cambiando al mismo tiempo que consumen energía. Así las cosas, tenemos que convenir que la energía, es muy necesaria para todo y también, para el progreso y continuidad de nuestras modernas sociedades.

Una de las posibles energías que se investigan y se está tratando de dominar es la llamada energía de fusión que consiste, en hacer lo mismo que hacen las estrellas del cielo “fusionar materiales ligeros en otros más pesados produciendo, en el proceso, mucha energía”.

El sueño de los científicos está centrado en conseguir esa clase de energía -que tiene muchos inconvenientes a la hora de plasmarla en realidad-, de una manera que posibilite ser generada en condiciones ambientales normales consiguiendo la reacción precisa pero, las estrellas necesitan hacerlo con plasma a más de quince millones de grados.

Claro que calentar en la Tierra combustible a tan altísimas temperaturas, del orden de 160 millones de grados (equivalente a una energía por partícula de 15 keV) en el caso de la reacción más accesible, que es la que se realiza con Deuterio y Tritio para dar lugar a un Neutrón más un núcleo de Helio o partícula Alfa:

D + T → He (3,5 MeV) + n (14,1 Mev)

Una central eléctrica de fusion utilizaría como materias primas deuterio, un isótopo que supone el 0,03% del hidrógeno terrestre, y tritio, otro isótopo del hidrógeno que no existe en la Naturaleza pero que se puede obtener de otro elemento muy abundante y distribuido por todo el planeta, el litio, siguiendo la reacción:

N + Li → T + He

En la que se utilizan los propios neutrones de 14,1 MeV generados en la fusión.

Las reservas de Deuterio en el agua de la corteza terrestre y las de Litio, en minas de Sal o en las propias sales disueltas en el agua del Mar, permitirían alimentar a la Humanidad de energía de fusión durante millones de años. Por otro lado, la emisión del reactor al exterior se compone básicamente de helio, un gas que es inocuo para las personas y el medio ambiente y que ni siquiera se acumula en la atmósfera sino que se escapa al espacio gradualmente, pero además, tiene aplicaciones industriales.

Así que, como aquel que dice, de un plumazo, habríamos solucionado el problema de la contaminación y, los residuos, no sólo no serían nocivos como ocurre con los que producen las Centrales Nucleares, sino que, por el contrario, se podrían aprovechar.

Claro que las cosas nunca han resultado fáciles, y, todos los logros der la Humanidad han sido largos y a veces hasta penosos. Para conseguir la fusión de núcleos de Deuterio y Tritio de forma energéticamente rentable sería necesario, calentar el combustible a temperaturas de centenares de millones de grados. A estas temperaturas el combustible se encuentra en estado de Plasma, es decir, un gas de iones y electrones libres con carga eléctrica neta cero y con un comportamiento colectivo. La física de este plasma y la manera de confinarlo sin barreras materiales, inviables a tales temperaturas, es el objetivo principal de la investigación en el campo de la fusión.

¿Cómo se está procediendo para conseguir tal maravilla?

El esfuerzo está encaminado, en su mayor parte, en la búsqueda de un Campo magnético capaz de mantener confinado el Plasma. Las partículas cargadas en el seno de un campo magnético describen trayectorias helicoidales cuyos ejes son aproximadamente las líneas de campo. A las temperaturas y campos magnéticos típicos, de decenas de keV y varios Tesla,el radio de giro de la hélice, denominado radio Larmor, es del orden de una décima de milímetro para los electrones y varios milímetros para los iones de deuterio y tritio. De esta forma iones y electrones quedan virtualmente atrapados, pudiendo desplazarse sólo a lo largo de las líneas del campo. Si cerramos las líneas del campo sobre sí mismas utilizando una geometría toroidal, podemos mantener confinado el plasma.

Al día de hoy existen dos grandes familias de dispositivos de confinamiento magnético con geometría toroidal, conocidos como Tokamak y Stellarator. Los dos conceptos son dos formas diferentes de resolver un problema intrínseco de la configuración magnética toroidal: la generación del campo magnético confinante, lo cual, no resulta nada fácil.

No vamos explicar aquí y ahora los resultados de estos dos sistemas y los beneficios alcanzados por los mismos, sería muy técnico y largo de explicar.

El tiempo ha ido pasando y, desde aquellos primeros momentos y pruebas, se ha ido aprendiendo y mejorando las técnicas hasta llegar al Proyecto ITER que ha mejorado todo lo anterior en prácticamente cinco órdenes de magnitud. Se ha mejorado el confinamiento mediante la construcción de experimentos de mayor tamaño y eficiencia, se han desarrollado métodos para calentar el Plasma hasta las temperaturas de decenas de keV, se han desarrollado sofisticados sistemas para el control de la corriente del Plasma e incluso se han realizado los primeros experimentos de generación de neutrones y partículas Alfa que tuvieron lugar por primera en 1991 en el JET, el mayor tokamak del mundo con 100 m³ de Plasma.

En 1994 el Tokamak TFTR de Princeton (EE UU) alcanzó potencias de fusión de 11 MW, y JET de nuevo en 1997, alcanzó los 16 MW pero todavía lejos de obtener una ganancia energética neta, ya que para poder hacerlo hicieron falta 24 MW, más de lo que se logró generar.

El objetivo está centrado en obtener en el ITER diez veces más de energía que la necesaria para mantener el Plasma, o en otros términos mantener un factor de amplificación de Q = 10. ITER será todavía un experimento y no será un Generador de electricidad hasta que no consiga este objetivo propuesto.

Aquí, en todo este “mundillo” de la fusión nuclear, el campo tecnológico implicado es alucinante y obliga, para conseguir los objetivos, a unos avances en el campo de fuerza magnética que, a muchos, está dejando con la boca abierta por el asombro. Sin embargo, falta mucho para conseguir lo propuesto.

Aquí, el problema fundamental que se presenta es el de los materiales que son necesarios para el Reactor, no sirven los materiales que tenemos y, sin más remedio, habrá que investigar para conseguir materiales más eficientes y que puedan, soportar, lo que en ese trabajo se les requiere.

Los dos desafíos fundamentales son:

a)   El problema de la interacción Plasma-pared. Aunque el campo magnético confina el campo de alta temperatura, inevitablemente la difusión hace que las partículas acaben alcanzando la pared, dando lugar a cargas térmicas que pueden alcanzar los 10 MW/m² y causando una importante erosión a los materiales de la misma. Para paliar este problema, se está trabajando en dos frentes que, posiblemente, puedan solucionarlo.

b)   Materiales resistentes a neutrones. Las reacciones de fusión nuclear generan neutrones de 14 MeV de energía que producen daños en el material estructural del Reactor, así como burbujas de Hidrógeno y Helio que empeoran las propiedades del mismo. Y, otra reacción que producen esos neutrones es que, materiales estables se convierten en radiactivos, dando lugar a residuos indeseables aunque de media y baja actividad y no tan malos como los del Uranio, sí deben ser custodiados adecuadamente.

El ITER estará equipado con unos pequeños módulos de prueba para la regeneración de tritio a partir de compuestos de litio, pero no contará con un sistema completo capaz de producir todo el tritio que consuma. Estos sistemas son absolutamente necesarios en un Reactor Productor de electricidad y suponen un formidable desafío tecnológico ya que han de cumplir con la triple función de regenerar el tritio, extraer las energías que transportan los neutrones y servir de blindaje para que no lleguen neutrones a las bobinas superconductoras y otros componentes sensibles.

Al día de hoy son varios los programas en desarrollo que andan a la búsqueda de la Fusión Nuclear, unos están financiado por varios países, otros por países individuales y, alguno, son de iniciativa particular de Empresas.

Seguramente, dentro de 40 años, cuando miremos hacia el pasado de la Fusión Nuclear, nos parecerán rudimentarios estos proyectos que hoy, son de la más alta tecnología que tenemos pero, en la ciencia, siempre será así.

Publica: emilio silvera

Fuente: Revista de Física Volumen 27, número 2 de 2.013

Autores: F. Castejón, C. Hidalgo y J. Sánchez

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