Fusión Nuclear
La inestabilidad en el precio del petróleo de los últimos meses y su carácter perecedero, está motivando a los Estados a buscar posibilidades energéticas que ofrezcan seguridad, rentabilidad y respeten el medio ambiente. Una alternativa ha sido la energía nuclear, polémica por las consecuencias que en el pasado ha tenido en cuanto a la seguridad, y por la producción de residuos que genera.
La fusión nuclear se propone como una opción clara de disponer de una fuente de energía inagotable, limpia y segura. Inagotable al tener en cuenta el "combustible" que necesita para su realización existente en el agua del mar y en la corteza terrestre en cantidades tales que al ritmo más alto ahora previsible de su consumo exclusivo, duraría más que la vida estimada de nuestro propio planeta Tierra. Limpia en el sentido de una generación muy reducida de residuos radiactivos si se usan los materiales avanzados actualmente en investigación; residuos que además no se generan en el proceso intrínseco de la reacción generadora de la energía (como en el caso de la fisión). Segura tanto en cuanto está basada en el control externo de todas las operaciones, no existiendo ninguna situación de posible perturbación durante la operación que desencadene una situación no controlable.
Dentro de las posibilidades para realizar la reacción nuclear de fusión, por la que dos núcleos de elementos ligeros (actualmente hidrógeno) se unen produciendo una liberación de energía en forma de energía cinética de los productos de dicha reacción, la más explorada desde hace ya medio siglo es la termonuclear. Opciones potenciales a temperatura ambiente como la fusión catalizada por muones resultan actualmente inviables visto su muy pobre balance energético.
Dentro de la fusión termonuclear se nos ofrecen dos posibilidades: fusión por confinamiento magnético y fusión por confinamiento inercial. El objetivo común es conseguir calentar (acelerar) a los núcleos de hidrógeno (deuterio y tritio) a las temperaturas (decenas de millones de grados Kelvin<> kiloelectronvoltios) en las que la reacción de fusión comienza a producirse de manera significativa (calentamiento). Sin embargo, ambos métodos difieren en como alcanzarlas, y además en que condiciones de densidad de la materia, y cuanto tiempo "se le concede" a la materia para que reaccione fusionándose (confinamiento). Mientras que en el caso del confinamiento magnético la densidad de la materia es baja (vacío industrial) y el tiempo de confinamiento es prolongado del orden de segundos, en el confinamiento inercial la densidad es muy elevada (hasta miles de veces la densidad nominal de la materia sólida) mientras que el tiempo de confinamiento es muy reducido (inferior a los nanosegundos). Recordemos además que la vida en la Tierra se mantiene gracias al sol, un gigantesco horno de fusión nuclear donde el mecanismo de confinamiento y calentamiento es la gravedad debido a su inmensa masa.
En nuestro planeta, deberíamos considerar el deuterio como reactivo básico de la fusión nuclear. Existen además otros nucleidos que directa o indirectamente pueden ser reactivos de fusión, como el boro-11 o los isótopos del litio (Li-6 y Li-7). Del litio hay 20 partes por millón (en masa) en la superficie de la tierra. No obstante, centraremos nuestra evaluación en el deuterio que puede aprovecharse a través de diversas reacciones nucleares de fusión. La más asequible en cuanto a temperatura de ignición y exigencias de confinamiento es la que experimenta con el tritio dando lugar a un núcleo de helio-4 y un neutrón. Este último puede emplearse para generar tritio a partir de litio-6 y litio-7, o para otras reacciones nucleares de interés.
El deuterio también reacciona consigo mismo, a temperaturas de plasma algo más elevadas que las propicias para la reacción reseñada anteriormente, dando lugar a diversos productos y a abundante energía. Por lo que concierne a ésta, la energía total extraída por reacciones nucleares de fusión a partir de un núcleo de deuterio dependerá de cuales sean las reacciones dominantes, lo que a su vez es función de la temperatura y de las concentraciones de reactivos. Como valor representativo se tomará 5 MeV/deuterón (ión de deuterio). En el agua del mar hay un átomo de deuterio por cada 6500 de hidrógeno, en números redondos, por lo que en 1 m3 se contabilizan 1025 átomos de deuterio, aislables por el procedimiento de producción de agua pesada más subsiguiente electrolisis. Admitiendo 5 MeV/deuterón, el total de energía extraíble de 1 m3 de agua a través de fusión sería de 8x1012 J (en números redondos) lo que equivale a algo menos de 200 toneladas de petróleo. El contenido total de agua de mar es de unos 1,5x109 km3, lo cual daría un potencial energético del deuterio total que se puede cifrar en 1,2x1031 J.
Este valor se debe comparar con el flujo energético total en nuestra biosfera, que está dominado por la irradiación solar, y con la potencia antropogénica actual. Esta es de 3,65x1020 J, lo cual significa que, en bruto, la energía del deuterio podría satisfacer la demanda actual de energía (artificial) durante unos 32.000 millones de años. Esta cifra es inconmensurable para las expectativas reales del planeta, cuya habitabilidad será del orden de 1000 millones de años. Estas cifras tan extraordinariamente altas tienen un doble origen: por un lado, la fortísima intensidad energética de las reacciones de fusión, donde alrededor de un 0,3% de su masa se transforma en energía (básicamente, calor) y el altísimo contenido de deuterio. De ahí que su energía total, 1,2x1031 J, sea del orden de 300 millones de veces el total de las reservas de combustibles fósiles actuales (que totalizan unos 900 Gtep, que representan algo menos de 4x1022 J). Los reactores de fusión podrían hacerse más eficientes utilizando tritio, que se produciría en los propios componentes periféricos de estos reactores, por reacciones neutrónicas en los isótopos de litio. Ello podría aumentar al doble la energía potencial de la fusión, que en todo caso comporta una potencialidad energética auténticamente relevante en el contexto de la sostenibilidad energética.
En la fusión por confinamiento inercial un haz de iluminación ("driver") que puede ser un láser muy intenso, un haz de iones (pesados ó ligeros) acelerados, ó una fuente intensa de rayos X incide en un blanco ("target") esférico compuesto por el hidrógeno (DT) que actúa de combustible. El proceso más clásico de calentar tiene que ver con el mecanismo de compresión, de manera que nos encontramos frente a la clásica relación en la que el producto presión por volumen es proporcional al de densidad por temperatura. Un láser ó un haz de iones ó de rayos X deposita energía, y siguiendo el elemental efecto cohete a través de un simultáneo mecanismo de ablación (expansión de la capa exterior) y aceleración provocada en el blanco combustible que se encuentra en el interior de dicha cápsula esférica. El tiempo que la materia se mantiene en esas condiciones viene dado por nuestros conocimientos clásicos de la inercia de la materia y la propagación de ondas de choque en un fluido. Ese tiempo es el que transcurre durante el paso de una onda de sonido a través del blanco esférico comprimido, de manera que el tiempo (= radio de máxima compresión de la materia / velocidad de una onda de sonido a la temperatura de keV ó centenares de eV de la materia y densidad de 600 ó más g.cm-3) es solo de algunos cientos de picosegundos. Consigamos densidades en un blanco de milímetros de diámetro de 600 - 1000 g.cm-3 para lo que precisaremos de una energía depositada en el blanco de ≈ 5-10 MJ; "lo hacemos tan bien" que tenemos ganancias de ≈ 100-200-500 lo que representa una energía de ≈ 1000 MJ. Si se produce dicho proceso con una frecuencia de 5 - 10 Hz, obtengo una Planta de Potencia de ≈ 1000 MW. Y para ello se precisa de una duración de pulso del haz iluminación de ≈ 10 ns con una potencia en el haz emisor de ≈ 1000 TW y ≈ 1014 - 1015 W.cm-2. Nuevas y recientes ideas aparecen (como la ignición rápida) en las que se desacopla el proceso de compresión del de calentamiento producido por la iluminación central del blanco con las partículas generadas en la interacción de un láser de femtosegundos y pequeña energía ó mediante la formación de jets externos.
A las temperaturas de interés para la fusión (keV), cualquier gas se encuentra totalmente ionizado en el estado que llamamos plasma, que puede entenderse como un agregado de partículas cargadas positiva y negativamente, pero sin una estructura atómica que les ligue y en el cual se estima que se encuentra un 99% de la materia conocida en el Universo. La fusión por confinamiento magnético explota el hecho de las características especiales que las partículas cargadas tienen en su movimiento cuando son sumergidas en un campo magnético. Las fuerzas electromagnéticas les permiten moverse libremente a lo largo de las líneas del campo magnético pero les impide su desplazamiento perpendicular, estando obligadas a describir una trayectoria circular alrededor de estas líneas de campo. En este caso bastaría con colocar en un toroide unas bobinas circulares que al hacer pasar una corriente eléctrica por ellas formarían la deseada configuración magnética. La solución no es tan sencilla debido a que las bobinas, perpendiculares al toroide, se encuentran más cerca unas de otras en la parte interior del "donut" que en su parte exterior, por lo que se genera un gradiente en el campo magnético toroidal lo que provoca un movimiento transversal distinto para cargas de signo distinto y, en consecuencia, una deslocalización de carga. La solución se encuentra si las líneas de campo no se cierran sobre si mismas, sino que cubren ergódicamente una superficie; en este caso las líneas de campo viajarán por las partes superiores e inferiores del toro cortocicuitando y haciendo desaparecer el campo eléctrico. La deriva desaparece y el equilibrio es restablecido. Esto es posible simplemente superponiendo un campo magnético poloidal (en la dirección del radio menor del toro) al campo básico toroidal (en la dirección del radio mayor del toro), que resultará en un campo magnético cuyas líneas describirán trayectorias helicoidales. Este es el principio de los aparatos denominados "tokamaks" y "stellarators", con la diferencia de que en el primer caso el campo poloidal es auto generado por la propia intensa corriente del plasma en el aparato, mientras que en el segundo ambos campos son generados con dispositivos tecnológicos exteriores.
En el momento actual las realizaciones en las que se confía se demuestre la ignición del plasma y la tecnología del reactor pasan por el International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) en el caso de confinamiento magnético, y National Ignition Facility (NIF) y Laser MegaJoule (LMJ) en confinamiento inercial. ITER es un diseño de tokamak con una potencia total de 500 MW y pulsos de duración de 10 s; demostrará la ignición y generación eficiente de energía por fusión permitiendo, además, la experimentación de los diversos componentes tecnológicos que conformarán una planta de potencia de fusión. Es el paso ya previo a un demostrador ó aparato comercial. Su localización (a fecha de Agosto 2004) no está decidida, y se encuentra entre Cadaarache (France) y Rokasho (Japan) con la expectativa de lograr un primer plasma en 2014. NIF (Lawrence Livermore National Laboratory, USA) y LMJ (CESTA Bordeaux, France) serán instalaciones de fusión inercial usando láseres de Nd (alrededor de 200 haces) con una energía de 2 MJ y pulsos de algunos nanosegundos, que demostrarán la viabilidad de la ignición del proceso y una ganancia de energía de hasta 30, pero no estarán preparados para una experimentación completa de componentes de un futuro sistema demostrador ó comercial. Están ya bajo construcción desde hace algunos años y se completarán en 2008; ya se han podido realizar experimentos que demuestran su fiabilidad.
J.M. Martínez-Val, J.M. Perlado, M. Piera "Principios Físicos del Desarrollo Energético Sostenible", Cuadernos del Foro de Pensamiento Actual nº1, F. Iberdrola, ISBN 84-95108-09-7
