Fusión nuclear: Tras 70 años, la energía ilimitada del sol está más cerca
Este proceso, opuesto a la fisión nuclear, replica la energía del sol para ofrecer una fuente limpia e inagotable. Los últimos avances sugieren que, tras décadas de investigación, estamos a las puertas de su viabilidad.
Energía de fusión: nuestra apuesta por la energía ilimitada
La energía nuclear a menudo la asociamos con la fisión, es decir, la división de átomos pesados, como ocurre en los reactores actuales. La fusión nuclear es diferente. Es el proceso opuesto: la combinación de átomos ligeros, tal como ocurre en el sol. Esta simple diferencia encierra la clave de un futuro en el que la energía limpia y abundante impulse nuestro mundo.
La energía de fusión reproduce el proceso del sol. Ofrece una fuente de energía ilimitada y limpia. Los científicos han perseguido este objetivo durante más de 70 años. Los avances recientes sugieren que estamos más cerca que nunca.
Qué es la fusión y por qué es importante
La energía de fusión hace que dos núcleos atómicos ligeros se fusionen. Esto crea un único núcleo más pesado. Este proceso libera una enorme cantidad de energía. El combustible utilizado son isótopos de hidrógeno: deuterio y tritio. El deuterio proviene del agua de mar. El tritio se puede obtener a partir de litio, que también es abundante.
Imagina empujar dos imanes fuertes. Sus polos están orientados en la misma dirección. Se repelen. Los núcleos atómicos, con sus cargas positivas, hacen lo mismo. Para superar esta repulsión, necesitamos condiciones extremas. Debemos calentar el combustible a cientos de millones de grados Celsius. También necesitamos una presión inmensa.
Cuando las condiciones son las adecuadas, los isótopos de hidrógeno se fusionan. Forman un núcleo de helio. Esto también libera un neutrón de alta energía. Este neutrón transporta la energía de fusión. Luego capturamos esta energía para generar electricidad. No produce residuos radiactivos de larga duración. No conlleva riesgo de fusión del núcleo.
La energía de fusión es un objetivo global. Grandes proyectos internacionales, como el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER) en Cadarache, Francia, trabajan en el desarrollo de la fusión. ITER es una colaboración en la que participan 35 naciones. Estas incluyen la Unión Europea, India, Japón, China, Rusia, Corea del Sur y Estados Unidos. Su construcción comenzó en 2007. Se espera que las primeras operaciones con plasma comiencen en 2025. Las empresas privadas también están acelerando el paso. Atraen grandes inversiones.
La ciencia difícil: crear una estrella en la Tierra
Crear una mini-estrella en la Tierra es difícil. El combustible debe alcanzar temperaturas superiores a los 150 millones de grados Celsius. Eso es diez veces más caliente que el núcleo del sol. A estas temperaturas extremas, la materia se convierte en plasma. El plasma es un gas ionizado. Los electrones se separan de los núcleos atómicos.
El Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER) en Cadarache, Francia, es una colaboración global masiva en la que participan 35 naciones para desarrollar la energía de fusión. Su construcción comenzó en 2007, y se prevé que las primeras operaciones con plasma comiencen en 2025. (Fuente: man-es.com)
Mantener este plasma supercalentado estable y contenido es el principal problema. Los científicos utilizan dos enfoques principales. Uno es la fusión por confinamiento magnético (FCM). El otro es la fusión por confinamiento inercial (FCI). Ambos enfoques buscan mantener el plasma confinado el tiempo suficiente para que se fusione. También necesitan producir más energía de la que utilizan.
La fusión por confinamiento magnético suele utilizar dispositivos llamados tokamaks o stellarators. Un tokamak es una cámara de vacío en forma de rosquilla. Potentes campos magnéticos atrapan el plasma caliente en su interior. Estos campos impiden que el plasma toque las paredes del reactor. El Toro Europeo Conjunto (JET) en el Reino Unido es un tokamak importante. Comenzó a operar en 1983. Los stellarators utilizan bobinas magnéticas más complejas y retorcidas para estabilizar el plasma. El stellarator Wendelstein 7-X en Alemania es un ejemplo notable.
La fusión por confinamiento inercial sigue un enfoque diferente. Utiliza láseres de alta potencia o haces de partículas. Estos haces calientan y comprimen rápidamente una pequeña pastilla de combustible. La pastilla implosiona. Esto crea las condiciones extremas necesarias para la fusión. La Instalación Nacional de Ignición (NIF) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en Estados Unidos es un ejemplo de este método. El NIF utiliza 192 potentes láseres. Se dirigen hacia una diminuta cápsula objetivo.
Avances recientes y obstáculos persistentes
El 5 de diciembre de 2022 marcó un día importante para la investigación de la fusión. Los científicos del NIF lograron una “ganancia neta de energía” por primera vez. Dirigieron 2.05 megajulios (MJ) de energía láser a un objetivo de combustible. Esto generó 3.15 MJ de energía de fusión. La Dra. Kim Budil, directora del LLNL, lo confirmó. Demostró que la ignición por fusión es posible. Este fue un avance científico, pero aún no de ingeniería.
El logro del NIF representó un paso importante: Q>1. Esto significa que la reacción de fusión en sí misma produjo más energía. Esto fue más que la energía entregada al objetivo. Pero los láseres necesitaron mucha más energía total para funcionar. Se necesitaron cientos de megajulios de electricidad para alimentar las instalaciones del NIF. Ampliar esto para la generación práctica de energía sigue siendo difícil.
El confinamiento magnético también ha logrado grandes avances. En 2021, las instalaciones del JET lograron un récord mundial. Produjeron 59 megajulios de energía de fusión sostenida durante cinco segundos. Este fue un paso importante para el combustible de deuterio-tritio. El Dr. Tony Donné, gerente de programa de EUROfusion, dijo que esto demostró que la energía de fusión fiable es posible. ITER, una vez operativo, tiene como objetivo producir 500 MW de energía de fusión. Esto provendría de 50 MW de potencia de calentamiento de entrada. Esto sería una ganancia de energía diez veces mayor (Q=10).
La Instalación Nacional de Ignición (NIF) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore logró un hito histórico el 5 de diciembre de 2022, al demostrar por primera vez una ganancia neta de energía a partir de una reacción de fusión, demostrando así que la ignición por fusión es posible. (Fuente: photek.com)
A pesar de estos éxitos, persisten varios problemas. La ciencia de los materiales plantea un desafío importante. Las paredes del reactor deben soportar el calor extremo y el bombardeo de neutrones. Otro desafío es el manejo y la producción segura de tritio. El tritio es radiactivo y escaso. Los futuros reactores necesitarán producir su propio tritio. También es crucial el desarrollo de imanes y sistemas de calefacción potentes y rentables. Estos componentes deben operar de forma fiable durante décadas.
La promesa: por qué la fusión es importante para nuestro futuro
La energía de fusión tiene beneficios significativos para la seguridad energética global y el cambio climático. Su combustible principal, el deuterio, proviene del agua. El agua está disponible para todas las naciones. Esto significa que ningún país podría monopolizar el suministro de combustible. Proporciona una fuente de energía inagotable. La Dra. Arati Prabhakar, asesora científica de la Casa Blanca, dijo que la fusión podría proporcionar “energía limpia para el futuro del planeta”.
A diferencia de la fisión, las reacciones de fusión no producen residuos radiactivos de larga duración. Los subproductos son de corta duración. Normalmente se desintegran a niveles seguros en décadas, no en milenios. Tampoco hay riesgo de una reacción en cadena descontrolada. Si algo sale mal, el plasma simplemente se enfría. La reacción de fusión se detiene inmediatamente. Esta seguridad inherente alivia muchas preocupaciones públicas sobre la fisión.
La industria privada está acelerando el desarrollo de la fusión. Empresas como Commonwealth Fusion Systems (CFS), una empresa derivada del MIT, están construyendo tokamaks compactos de alto campo. CFS tiene como objetivo lograr una ganancia neta de energía para 2025 con su proyecto SPARC. Utilizan nuevos imanes superconductores de alta temperatura. Helion Energy en Estados Unidos planea vender electricidad de fusión para 2028. Utilizan un enfoque de confinamiento por espejo magnético. Estas iniciativas privadas aportan nuevas inversiones y un sentido de urgencia.
El coste de construir centrales eléctricas de fusión sigue siendo alto. Pero los costes operativos podrían ser bajos gracias al combustible barato. Los beneficios ambientales a largo plazo son enormes. La fusión no produce emisiones de carbono. Podría reemplazar los combustibles fósiles como principal fuente de energía. Esto reduciría drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero. También ayudaría a estabilizar los mercados energéticos a nivel mundial.
El camino a seguir: del laboratorio a la red
La próxima década será importante para la energía de fusión. ITER está en camino de lograr el primer plasma en 2025. Probará la física de un plasma en combustión a gran escala. Los datos de ITER guiarán el diseño de futuros reactores comerciales. Estos reactores a menudo se denominan plantas “DEMO”. Las plantas DEMO tienen como objetivo generar electricidad de forma continua.
El tokamak SPARC, desarrollado por Commonwealth Fusion Systems (CFS), una empresa derivada del MIT, tiene como objetivo lograr una ganancia neta de energía para 2025 utilizando revolucionarios imanes superconductores de alta temperatura, lo que representa un paso importante en el desarrollo de la fusión en el sector privado. (Fuente: interestingengineering.com)
Las empresas privadas están estableciendo plazos ambiciosos. CFS tiene como objetivo la generación comercial de electricidad para principios de la década de 2030. Helion Energy aspira a lograrlo incluso antes. Su progreso depende de más avances científicos y soluciones de ingeniería. La ampliación de los resultados de laboratorio a centrales eléctricas industriales requiere una gran inversión. También requiere una colaboración internacional constante.
Los científicos también están investigando otros enfoques de fusión. Estos incluyen espejos magnéticos, configuraciones de campo invertido y confinamiento electrostático inercial. Cada enfoque tiene sus propias ventajas y desafíos. Esta investigación diversa aumenta la probabilidad de encontrar el mejor camino hacia la fusión comercial. La Dra. Melanie Windridge, física de la UKAEA, subraya la necesidad de enfoques diversos. Ningún camino único está garantizado, dice.
Lograr la energía de fusión práctica transformará el panorama energético global. Ofrece una solución limpia, segura e inagotable para nuestras necesidades energéticas. El viaje desde la curiosidad científica hasta la energía comercial ha sido largo. Pero los éxitos recientes ofrecen una esperanza real. El sueño de construir una estrella en la Tierra es casi una realidad. Si tenemos éxito, los problemas energéticos del mañana podrían simplemente desaparecer.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre la fisión y la fusión nuclear? La fisión divide átomos pesados, como el uranio, para liberar energía. La fusión combina átomos ligeros, como el hidrógeno, para liberar energía. La fusión es el proceso que alimenta el sol.
¿Es radiactiva la energía de fusión? La fusión no produce residuos radiactivos de larga duración. Los componentes del reactor pueden activarse por los neutrones. Sin embargo, esta radiactividad inducida se desintegra rápidamente, en décadas.
¿Cuándo estará lista la energía de fusión? Científicos y empresas ofrecen plazos variables. Algunas empresas privadas tienen como objetivo la energía comercial a finales de la década de 2020 o principios de la de 2030. Proyectos internacionales más grandes como ITER prevén su plena operación para 2035.
¿Qué combustible utiliza la energía de fusión? La mayoría de los conceptos actuales de fusión utilizan deuterio y tritio, ambos isótopos de hidrógeno. El deuterio se extrae del agua. El tritio se puede producir a partir de litio, que también es abundante.
La Dra. Melanie Windridge, física de la UKAEA, es una voz destacada en la energía de fusión y subraya la importancia de diversos enfoques de investigación para lograr la energía de fusión comercial. También es una autora y comunicadora científica reconocida. (Fuente: skyatnightmagazine.com)
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