La fusión nuclear que viene 

El reactor de fusión o tokamak del experimento europeo Joint European Torus (JET) es el mayor del mundo. EUROfusion

El pasado diciembre el Departamento de Energía de los EE. UU. anunció en una rueda de prensa que el equipo del National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory había obtenido más energía por fusión nuclear que la empleada para activarla. Se trata de un importante hito científico conseguido mediante la vía conocida como fusión por confinamiento inercial.

La fusión nuclear se presenta como una fuente de energía extraordinariamente atractiva. Se trata de una energía limpia (no produce CO₂) que dispone de recursos prácticamente ilimitados y no genera residuos altamente radioactivos durante miles de años como en el caso de la fisión del uranio. La fusión nuclear se puede considerar, por tanto, como la energía del futuro, al ser capaz de generar energía de alta potencia con la que poder sustituir a las actuales centrales térmicas basadas en combustibles fósiles.

La energía de las estrellas en la Tierra

La fusión nuclear es la energía de las estrellas, muy cercana por tanto a nuestra vida en el planeta Tierra, que depende de una de ellas: el Sol. El sueño es hacer realidad en la Tierra la energía de las estrellas. El proceso, sin embargo, no puede ser el mismo, pues en el interior de una estrella la fusión se produce de una manera extremadamente lenta.

Para hacer realidad la fusión nuclear en nuestro planeta hay que partir de isótopos del hidrógeno como el deuterio (compuesto de un protón y un neutrón) y el tritio (un protón y dos neutrones) que, al fusionar, dan lugar a un núcleo de helio y un neutrón, ambos a altísimas energías.

Volviendo al experimento del NIF, en este caso la fusión de deuterio y tritio se produjo al aplicar un pulso de energía producida por 192 láseres concentrados sobre una diminuta cápsula que contiene el combustible refrigerado.

En concreto, se aportó una energía de 2,05 megajulios mediante láseres, lo que dió lugar a la compresión de la cápsula haciendo posible la fusión del deuterio y el tritio en su interior y produciendo una energía de 3,15 megajulios, es decir, una ganancia de energía de un 154 %. Por primera vez en la historia, se obtuvo la ignición (más energía de fusión que la que se aporta) mediante el confinamiento inercial.

Limitaciones de la fusión inercial

Sin embargo, a pesar del innegable hito conseguido, la noticia ha de ser tomada con cautela por varias razones. Por un lado, para producir un pulso láser como el empleado para obtener la ignición se requieren del orden de 300 megajulios de energía de la red, pues la eficiencia de los láseres utilizados es muy baja, menor del 1 %.

Por otro lado, en la fusión por confinamiento inercial no está claro cómo se aprovecha la energía de los neutrones para producir energía eléctrica. De hecho, la ignición ha tardado tanto en llegar porque esa no es la única tarea del NIF, que también apoya el programa de armamento nuclear de EE. UU.

Además, la fusión inercial es una tecnología pulsada. Sería preciso conseguir unos 10 pulsos de láser por segundo en lugar de un pulso al día, para lo cual se requieren millones de cápsulas al día, lo que supone un enorme reto tecnológico.

Fusión por confinamiento magnético

Otra vía para obtener energía de la fusión nuclear es el confinamiento magnético. En este concepto, un gas de deuterio y tritio se calienta en un recipiente toroidal hasta temperaturas del orden de 150 millones de grados para conseguir que las partículas del gas tengan suficiente energía como para superar la repulsión debida a las cargas positivas de los núcleos.

A semejantes temperaturas, los electrones se separan de los núcleos, de manera que ya no se tiene un gas compuesto por átomos neutros, sino un gas de partículas cargadas, también llamado plasma. Un plasma puede ser confinado por campos magnéticos, evitando así el contacto de las partículas altamente energéticas con la pared del recipiente.

Esquema de un reactor de fusión nuclear por confinamiento magnético. El plasma se representa en color morado.
EUROfusion

Al producirse la reacción de fusión del deuterio y tritio, se genera helio, que es confinado por el campo magnético y permanece por tanto en el plasma aportándole su energía. Así, la temperatura del plasma se automantiene con la reacción de fusión.

Los neutrones, en cambio, no son confinados por el campo magnético y transfieren su energía a un refrigerante situado inmediatamente después de la pared expuesta al plasma. El refrigerante a su vez la transfiere a un intercambiador de vapor, este a una turbina y esta a un generador, de manera que se produce energía eléctrica.

Grandes proyectos de fusión nuclear

El paso más inmediato en la fusión por confinamiento magnético es el reactor ITER (de International Thermonuclear Experimental Reactor), uno de los proyectos tecnológicos más grandes a nivel mundial, en el que están involucrados la Unión Europea, EE. UU., Rusia, Japón, China, India y Corea.

ITER, situado en el sur de Francia y cuya construcción se concluirá a finales de 2025, será el mayor dispositivo por confinamiento magnético del mundo. La operación con un plasma de deuterio-tritio comenzará en 2035, esperándose ganancias de energía del 1 000 % con una potencia de fusión de 500 megavatios, que, sin embargo, no aportará energía a la red, pero preparará el camino a futuros reactores que sí lo harán.

Instalaciones del ITER en el sur de Francia.
ITER

En Europa, el siguiente paso será DEMO, un reactor de demostración de fusión en el que se prevén ganancias de energía del 2 500 % con una potencia de fusión de 2 000 megavatios, de los que 300-500 megavatios se aportarán a la red. Se prevé que la construcción de DEMO comience hacia 2040, de manera que su operación se situará en la década de 2050.

Los mayores desafíos a los que se enfrenta DEMO son el desarrollo de los materiales expuestos al plasma de fusión, que tienen que soportar altas cargas térmicas bajo un flujo de neutrones, así como la obtención de tritio dentro del reactor. En cualquier caso, ITER será un paso definitivo en el camino hacia la producción de energía mediante fusión nuclear.

Carmen García-Rosales recibe fondos de EUROfusion (EURATOM), Horizon Europe.