La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado, generalmente liberando partículas en el proceso. Estas reacciones pueden absorber o liberar energía, según si la masa de los núcleos es mayor o menor que la del hierro, respectivamente.
Un ejemplo de reacciones de fusión son las que tienen lugar en el sol, en las que se produce la fusión de núcleos de hidrógeno para formar helio, liberando en el proceso una gran cantidad de energía en forma de radiación electromagnética, que alcanza la superficie terrestre y que percibimos como luz y calor.
Para que tenga lugar una reacción de fusión, es necesario alcanzar altas cotas de energía que permitan que los núcleos se aproximen a distancias muy cortas en las que la fuerza de atracción nuclear supere las fuerzas de repulsión electrostática. Para ello, se deben cumplir los siguientes requisitos:
Sin embargo, los confinamientos convencionales, como las paredes de una vasija, no son factibles debido a las altas temperaturas. Por este motivo, se encuentran en desarrollo dos métodos de confinamiento:
Fusión por Confinamiento Inercial (FCI): Consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí. Para ello se impacta una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio por un haz de láser provocando su implosión. Así, se hace cientos de veces más densa que en su estado sólido normal permitiendo que se produzca la reacción de fusión. Actualmente hay reactores de investigación con el objetivo de producir energía a través de este proceso.
Fusión por Confinamiento Magnético (FCM): Las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético. El dispositivo más desarrollado tiene forma toroidal y se denomina Tokamak.
La fusión nuclear –que no debe confundirse con la fisión nuclear, sobre cuya base operan las centrales nucleares actuales en todo el mundo– se presenta a menudo como la panacea para salvar la civilización del consumo ante el inevitable agotamiento de las fuentes de energía fósiles. Publicamos a continuación tres artículos de dos científicos expertos estadounidenses, y en los que polemizan sobre las posibilidades reales de los reactores de fusión. NdR.Reactores de fusión: no son lo que prometían ser
Daniel Jassby
Durante mucho tiempo se ha venido ensalzando los reactores de fusión como la fuente energética perfecta. Sus defensores afirman que una vez se hayan desarrollado reactores de fusión comerciales viables, producirán enormes cantidades de energía con pocos residuos radiactivos, generando muy pocos subproductos de plutonio que puedan utilizarse para fabricar armas atómicas. Estos abogados de la fusión dicen asimismo que dichos reactores no podrían dar lugar a la peligrosa reacción en cadena susceptible de provocar el tipo de accidentes catastróficos que encierran los sistemas actuales de fisión en las centrales nucleares. Además, al igual que la fisión, un reactor nuclear de fusión tendría la enorme ventaja de producir energía sin emitir ni pizca de carbono, el principal culpable del calentamiento de la atmósfera de nuestro planeta.
Sin embargo, hay un problema: mientras que es más bien fácil –hablando en términos relativos– dividir un átomo para producir energía (es lo que ocurre en la fisión), supone un “gran reto científico” fusionar dos núcleos de hidrógeno para crear isótopos de helio (como ocurre en la fusión). Nuestro Sol realiza constantemente reacciones de fusión quemando hidrógeno ordinario en condiciones de enorme densidad y temperatura. Para reproducir este proceso de fusión aquí en la Tierra –donde no tenemos la enorme presión generada por la gravedad del núcleo solar– necesitaríamos una temperatura de por lo menos 100 millones de grados Celsio, unas seis veces más que la que impera en el Sol. En experimentos realizados hasta ahora, la energía necesaria para alcanzar la temperatura y la presión que permiten reacciones de fusión significativas para crear isótopos de helio ha superado de lejos la energía de fusión generada.
No obstante, mediante el uso de tecnologías de fusión prometedoras, como el confinamiento magnético y el confinamiento inercial con láser, la humanidad se acerca mucho más a la solución del problema y a ese punto de inflexión en que la cantidad de energía obtenida de un reactor de fusión supere la cantidad aportada, generando energía neta. Los proyectos multinacionales colaborativos en curso incluyen el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER), que está construyéndose en Francia desde que se crearon las primeras estructuras de apoyo en 2010. Se espera que los primeros experimentos en su máquina de fusión, llamada tokamak, comiencen en 2025.
A medida que nos acercamos al objetivo, sin embargo, es hora de preguntarnos si la fusión es realmente la fuente de energía perfecta. Después de haber estado trabajando en experimentos de fusión durante 25 años en el laboratorio de física del plasma de la Universidad de Princeton, comencé a contemplar menos apasionadamente toda la cuestión de la fusión. Concluí que un reactor de fusión no sería ni mucho menos perfecto, y en ciertos aspectos estaría incluso más cerca de todo lo contrario.
Radiaciones y residuos radiactivos de la fusión
Como se ha señalado más arriba, los 500 MW de energía térmica de fusión que supuestamente producirá el ITER no será energía eléctrica. Pero lo que los defensores de la fusión detestan explicar es que esta energía de fusión no es una radiación benigna como la solar, sino que consiste sobre todo (en un 80 %) en chorros de neutrones energéticos cuya única función aparente en el ITER será la de generar enormes volúmenes de residuos radiactivos a medida que bombardeen las paredes de la vasija del reactor y sus componentes asociados.
Apenas el 2 % de los neutrones serán interceptados por módulos de prueba para investigar la producción de tritio en litio, pero el 98 % de los flujos de neutrones chocarán simplemente contra las paredes del reactor o los dispositivos en los puertos de salida.
En los reactores de fisión, como máximo el 3 % de la energía de fisión se da en forma de neutrones. Sin embargo, el ITER se parece a un aparato eléctrico que convierte cientos de megavatios de energía eléctrica en chorros de neutrones. Una característica peculiar de los reactores de fusión que operan con D-T es que la parte preponderante de la energía térmica no se produce en el plasma de reacción, sino más bien dentro de la gruesa vasija de acero del reactor a medida que los chorros de neutrones chocan con ella y disipan gradualmente su energía. En principio, esta energía de neutrones termalizada podría reconvertirse en electricidad con una eficiencia muy baja, pero el proyecto ITER ha optado por evitar este reto. Es una tarea que se delega en engaños llamados reactores de demostración que los defensores de la fusión esperan desplegar en la segunda mitad del siglo.
Un defecto reconocido desde hace tiempo de la energía de fusión es el de los daños producidos por la radiación de neutrones sobre los materiales expuestos, provocando hinchamiento, fragilidad y fatiga. El caso es que el tiempo total de funcionamiento con una elevada producción de neutrones en el ITER será demasiado corto para provocar ni siquiera el mínimo daño a la integridad de la estructura, pero las interacciones con los neutrones generarán de todos modos una peligrosa radiactividad en todos los componentes expuestos del reactor, produciendo finalmente nada menos que 30.000 toneladas de residuos radiactivos.
Alrededor del tokamak del ITER, un monstruoso cilindro de hormigón de 3,5 metros de grosor de pared, 30 metros de diámetro y 30 metros de altura servirá de blindaje para impedir la salida al exterior de rayos X, rayos gama y neutrones de fuga. La vasija del reactor y los componentes no estructurales del interior de la vasija y fuera de ella, hasta el blindaje de hormigón, se tornarán altamente radiactivos al activarse con los chorros de neutrones. Los periodos de inactividad con fines de mantenimiento y reparación serán prolongados porque todos los trabajos de mantenimiento deberán llevarse a cabo con equipos de control remoto.
Para el Joint European Torus en el Reino Unido, que es un proyecto experimental mucho más pequeño, el volumen previsto de residuos radiactivos asciende a 3.000 metros cúbicos, y el coste de su desmantelamiento y vertido superará los 300 millones de dólares, de acuerdo con Financial Times. Estas cantidades empequeñecen ante las 30.000 toneladas de residuos radiactivos del ITER. Por suerte, gran parte de esta radiactividad inducida se desintegrará en décadas, pero al cabo de 100 años unas 6.000 toneladas todavía serán peligrosamente radiactivas y tendrán que almacenarse en un depósito, según el capítulo sobre “Residuos y desmantelamiento” del informe de diseño definitivo del ITER.
El transporte periódico y el vertido de componentes radiactivos fuera de la central experimental, así como el desmantelamiento final de toda la instalación del reactor serán actividades que requerirán un gran consumo de energía, que habrá que sumar al lado negativo del balance energético del proyecto.
El problema del gran consumo de agua que necesitan para ser refrigerados.
Se requerirán flujos torrenciales de agua para eliminar calor de la vasija del reactor del ITER, de los sistemas de calentamiento del plasma, de los sistemas eléctricos del tokamak, de los refrigeradores criogénicos y de los equipos de alimentación de energía de los imanes. Incluida la generación de energía de fusión, la carga térmica total podría ascender a 1.000 MW, pero incluso sin la producción de energía de fusión, la instalación del reactor consume hasta 500 MW(e), que finalmente se convierten en calor que habrá que extraer. El ITER demostrará que los reactores de fusión consumirían mucha más agua que cualquier otro tipo de generador de energía, debido al enorme gasto de energía parasitaria que se convierte en calor adicional que es preciso disipar. (Por parasitaria nos referimos al consumo de una parte de la energía que genera el propio reactor.)
El agua de refrigeración provendrá del Canal de Provence, formado mediante la canalización del río Durance, y la mayor parte del calor se descargará en la atmósfera mediante torres de refrigeración. Durante las operaciones de fusión, el caudal total de agua de refrigeración será de 12 metros cúbicos por segundo (720.000 litros por minuto), más de un tercio del caudal del canal. Este caudal de agua bastaría para abastecer a una ciudad de un millón de habitantes. (Aunque la demanda real de agua será una pequeña fracción de esa cantidad, ya que cada pulso generador del ITER durará apenas 400 segundos y se producirán a lo sumo 20 pulsos diarios; además, el agua de refrigeración del ITER se recirculará.)
Aunque el ITER no produzca otra cosa que neutrones, su caudal máximo de refrigerante equivaldrá a la mitad del caudal que precisa una central térmica de carbón o una central nuclear que generan 1.000 MW(e) de energía eléctrica. En el ITER se consumirán nada menos que 56 MW(e) de energía eléctrica para accionar las bombas que harán circular el agua a través de unos 36 kilómetros de tuberías.
El funcionamiento de cualquier central de fusión nuclear grande como el ITER solo es posible en un lugar como el de la región de Cadarache en Francia, donde hay acceso a muchas redes eléctricas de alta potencia y a un sistema caudaloso de agua refrigerante. En las últimas décadas, la gran abundancia de caudales de agua dulce y la disponibilidad ilimitada de agua de mar fría han permitido poner en marcha un gran número de plantas termoeléctricas del orden de los gigavatios. Teniendo en cuenta la disponibilidad decreciente de agua dulce e incluso de agua de mar fría en todo el mundo, la dificultad de abastecimiento de agua refrigerante impedirá la proliferación de reactores de fusión.
El impacto del ITER
Tanto si el rendimiento del ITER es bueno como si es malo, su legado más favorable será que, al igual que la Estación Espacial Internacional, habrá sido un ejemplo impresionante de cooperación internacional de décadas de duración entre naciones que mantienen entre sí relaciones amistosas o semihostiles. Los críticos censuran que esta colaboración internacional ha incrementado enormemente el coste y alargado los plazos, pero los 20.000 a 30.000 millones de dólares que costará el ITER no difieren mucho de lo que costarán otras instalaciones nucleares de gran tamaño, como las centrales cuya construcción se ha aprobado recientemente en EE UU (Summer y Vogtle) y Europa Occidental (Hinkley y Flamonville), así como el proyecto estadounidense de combustible nuclear MOX sobre el río Savannah. Todos estos proyectos han visto triplicar su coste, y sus plazos de construcción han pasado de años a décadas. El problema subyacente es que todas las instalaciones de energía nuclear, sean de fisión o de fusión, son extraordinariamente complejas y desorbitadamente caras.
Un segundo efecto valioso del ITER será su influencia definitiva en la planificación de las fuentes de energía. Si tiene éxito, el ITER permitirá a los físicos estudiar los plasmas de fusión de larga duración y alta temperatura. Pero como prototipo de generador de energía, el ITER causará estragos, manifiestamente, como fuente de neutrones alimentada con tritio generado en reactores de fisión, accionada con cientos de megavatios de electricidad de la red eléctrica regional y consumidora sin precedentes de recursos de agua refrigerante. Los daños causados por los neutrones se agravarán, mientras que las demás características se repetirán en cualquier reactor de fusión subsiguiente que pretenda generar electricidad suficiente para superar todos los consumos de energía señalados en este artículo.
A la vista de esta realidad, tal vez hasta los más entusiastas planificadores de la energía abandonen la fusión. En vez de anunciar el comienzo de una nueva era energética, es probable que el ITER desempeñe un papel análogo al del reactor reproductor rápido, cuyos problemas manifiestos dieron al traste con otra supuesta fuente de “energía ilimitada” y afianzaron el predominio de los reactores de agua ligera en el ámbito nuclear.
Daniel Jassby fue investigador principal del Laboratorio de Física del Plasma de la Universidad de Princeton hasta 1999. Robert Goldston es profesor de Ciencias Astrofísicas de la Universidad de Princeton.
