La cámara con la cápsula de deuterio y tritio en su interior, donde se ha conseguido la fusión en la National Ignition Facility (imagen: Lawrence Livermore National Laboratory)
El pasado 5 de diciembre, una noticia saltó de forma explosiva a los medios de comunicación de todo el mundo: en Livermore (California) había tenido lugar un gran avance en la fusión nuclear, que podría avalar su uso como una nueva fuente de energía, prácticamente inagotable. La información iba abonada con la necesidad de liberarse del yugo impuesto por los productores de petróleo, agravado en tiempos recientes por el conflicto militar entre Ucrania y Rusia.
El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, que nació en 1952 en la Universidad de California y que está dotado con fondos del Departamento de Energía estadounidense, hizo saber que, por primera vez, un experimento nuclear de fusión había logrado que la energía invertida en producir la fusión fuera menor que la energía recuperada, arrojando un saldo energético decididamente positivo.
Tenemos la idea preconcebida de que jugar con los núcleos atómicos es peligroso; sin embargo, no es del todo cierto: depende de la baza por la que se apueste. El crupier atómico conoce dos juegos: el de fisión y el de fusión. Ambos proporcionan energía nuclear, pero la generan por vías opuestas, con tecnologías y combustibles distintos, además de con niveles de riesgo significativamente diferentes. Sin embargo, la procedencia de la energía es la misma en ambos casos y fue descrita por Einstein en la ecuación más famosa de la historia de la Física: E=mc2. Según esta, existe una equivalencia entre masa y energía mediada por el cuadrado de la velocidad de la luz, de modo que la masa no es más que un modo de manifestación de la energía. Como el conjunto de masa y energía debe conservarse, en cualquier experimento nuclear, tanto de fisión como de fusión, la pérdida de masa debe reflejarse como producción de energía.
Las dos clases de energía nuclear
Los núcleos atómicos están compuestos por otras partículas llamadas genéricamente nucleones (protones y neutrones). Cada tipo de átomo tiene un número propio de nucleones. Los núcleos grandes, dotados de muchos nucleones, se pueden romper desintegrándose en otros con menor número de nucleones, perdiendo masa que convierten en energía (reacción nuclear exotérmica) y produciendo residuos nucleares peligrosos, que pueden tardar miles de años en reducir su actividad radiactiva. Así es como funciona la fisión nuclear. Las centrales atómicas actuales son de este tipo y utilizan uranio como combustible.
En cambio, los núcleos ligeros, con pocos nucleones, generan energía cuando se fusionan con otros, produciendo núcleos más grandes y residuos de muy baja o ninguna peligrosidad. El combustible utilizado para realizar fusiones nucleares suele ser el hidrógeno. La frontera entre los núcleos grandes y pequeños se localiza en el hierro (número atómico 26). Núcleos más ligeros que el hierro producen energía si se fusionan y por encima de él, en la tabla periódica de elementos, la producen si se fisionan.
La fusión requiere unas temperaturas altísimas, por lo que se necesita investigar en materiales que las resistan
La fusión es la reacción nuclear que mantiene encendidas las estrellas. Consumen poco a poco su hidrógeno (número atómico 1) para producir núcleos de helio (número atómico 2) u otros átomos más ligeramente más pesados. Este mecanismo de nucleosíntesis –conocido como ciclo de Bethe– fue descrito por Hans Bethe en un artículo publicado en 1939, por el que recibió el premio Nobel de Física en 1967. Las dificultades que presenta actualmente la fusión nuclear no solo son científicas sino también técnicas, es decir, de ingeniería. Se necesitan unas elevadísimas temperaturas para que se produzca la fusión, tan altas que no hay materiales que puedan contener el combustible sin fundirse o degradarse en el intento.
Para que se produzca la fusión de dos núcleos, éstos han de aproximarse extraordinariamente. A tal objeto han de vencer la fuerza electrostática con que se repelen, que crece con su cercanía, pues ambos están cargados positivamente. La aproximación se produce mediante temperaturas de millones de grados, haciendo que cobre intensidad la Fuerza Nuclear Fuerte, otra fuerza fundamental de la naturaleza, en este caso atractiva. Se establece así una contienda entre la repulsión electrostática y la atracción de la nuclear fuerte, que termina predominando, produciendo la fusión de ambos núcleos, junto a la disminución de la masa implicada y el desprendimiento de grandes cantidades de energía limpia. Para que se produzca la fusión es necesario poner el combustible en estado de plasma y hacer que las partículas de ese plasma estén muy próximas, lo que se consigue con altas temperaturas y algún sistema de confinamiento.
Un combustible abundante
El combustible utilizado en esta ocasión ha sido una pequeña cápsula de hidrógeno pesado. El hidrógeno como tal tiene su núcleo una sola partícula, un protón; pero tiene dos isótopos (hidrógeno pesado): el deuterio (un protón y un neutrón) y el tritio (un protón y dos neutrones), que son los que se han usado como fuente de energía. El tritio es actualmente un subproducto de las centrales de fisión y es poco abundante en la naturaleza, pero el deuterio es muy común. Se estima que uno de cada 7.000 átomos de hidrógeno es deuterio, por lo que este puede encontrarse de forma muy abundante en el agua: por eso se afirma que es una fuente inagotable de combustible. Cada molécula de agua aporta dos átomos de hidrógeno.
El NIF (National Ignition Facility), instalación perteneciente al Laboratorio Livermore, es una instalación de confinamiento inercial que produce una implosión en la cápsula de deuterio y tritio mediante el impacto de 192 láseres de alta potencia que encienden la fusión. Esos láseres necesitaron aproximadamente 2 megajulios (la energía necesaria para poner en ebullición 5.000 litros de agua desde los cero grados centígrados), pero la fusión produjo algo más de 3 megajulios, con un balance claramente positivo en el resultado energético, lo que ha contribuido a disparar todos los optimismos.
El reciente experimento ha obtenido 3 megajulios en la fusión con 2 megajulios de rayos láser, pero producir estos ha requerido más de 300 megajulios de energía eléctrica
Otros laboratorios utilizan botellas magnéticas para realizar un confinamiento magnético y controlar el material en fusión, pero los experimentos realizados con estas tecnologías no han dado aún el fruto que se espera de ellas, si bien por este procedimiento se sabe cómo explotar mejor el calor generado. Las estrellas mantienen la fusión mediante confinamiento gravitatorio.
En reacciones nucleares de fusión se suelen generar neutrones libres que no se pueden controlar mediante botellas magnéticas, puesto que son partículas que no llevan carga eléctrica. Esos neutrones se suelen atrapar en contenedores de plomo o materiales especializados. Los neutrones suelen deteriorar las propiedades de la materia contra la que chocan, aunque la radiactividad de estos residuos es de vida corta. Parte de la investigación en fusión nuclear está, por tanto, en la Física de materiales que podrían utilizarse para contener estas partículas residuales.
Cuatro ventajas
El Foro de la Industria Nuclear Española indica cuáles son las cuatro ventajas de la fusión nuclear frente a la fisión: combustibles baratos y abundantes, sistemas mucho más seguros, no produce gases de efecto invernadero y la radiactividad del reactor es significativamente menor y mucho menos peligrosa.
El proyecto ITER (Reactor Experimental Termonuclear Internacional), en el que participan una treintena de países –incluidos Estados Unidos, Rusia y China–, es un proyecto de construcción de un reactor de fusión nuclear piloto por confinamiento magnético en Cadarache (Francia). Su objetivo es probar la viabilidad de este tipo de plantas de producción energética. En España, el CIEMAT dispone también de un pequeño reactor de fusión en sus instalaciones en Madrid.
El impacto periodístico ha eclipsado parte de la realidad del experimento del NIF, porque en la prensa apenas se ha comentado que esos láseres consumieron mucha energía para producir sus rayos. La revista Nature estima que se requirió un consumo eléctrico de 322 megajulios por los aparatos láser para producir los 2 megajulios radiantes que a su vez generaron los algo más de 3 megajulios del resultado, lo que se evalúa como un rendimiento global por debajo del uno por ciento, es decir, en el experimento se necesitan 100 unidades de energía convencional para poder extraer una única unidad de energía de procedencia nuclear.
Sin duda es un avance importante en la búsqueda de modos de explotación de la fusión con el objetivo de confinar en las centrales nucleares pedacitos de estrellas que suministren energía barata y limpia a toda la población mundial, pero aún estamos lejos de conseguir algo que influya en nuestra vida cotidiana.