Ciencia
Fusión nuclear, ¿para cuándo?
FIBK
La fusión nuclear supondría un paso de gigante para la humanidad como fuente de energía sostenible e ilimitada. Algunos de los avances más espectaculares vienen de startups como la alemana Marvel Fusion. Te contamos el estado del arte y las iniciativas más prometedoras.
La tecnología de la energía de fusión nuclear comercial tiene el potencial de revolucionar la industria energética, ayudando a combatir la crisis climática al tiempo que satisface las crecientes necesidades de electricidad del mundo.
La energía de fusión nuclear se produce combinando átomos para crear otros más pesados. No tiene nada que ver con la actual energía nuclear comercial, que es de fisión, no de fusión. La fusión nuclear no produce desechos radiactivos directos y además no requiere de un combustible tan escaso como el uranio. ¿La desventaja? Que es complicadísimo iniciar la reacción. Hasta la fecha no se ha alcanzado el punto de equilibrio entre la energía que se necesita para acelerar y confinar el plasma y la que se obtiene con la fusión de las primeras partículas. Además, está el problema de controlar las reacciones de manera que no se produzcan explosiones en cadena que liberen cantidades de energía desorbitadas. La teoría es que se puede hacer, aunque estos dos grandes problemas técnicos son de difícil solución: se lleva trabajando en ellos desde los años 1950s.
Fundamentos de la fusión nuclear
La fusión nuclear existe en la naturaleza: de hecho, es la fuente de energía de los miles de millones de estrellas existentes, entre ellas, el Sol. La principal fuente de energía del Sol es la fusión de cuatro protones para formar un núcleo de helio.
Lo que pretende la humanidad es intentar reproducir lo que ocurre en las estrellas a un nivel manejable. El enorme problema al que nos enfrentamos: controlar lo que en la naturaleza es incontrolable.
En el centro del Sol (a temperaturas de entre 10 y 15 millones ºC), el hidrógeno se fusiona para formar helio: en este caso, el “combustible” se calienta y se confina mediante la gravedad. En la Tierra, el confinamiento debe ser logrado mediante otros mecanismos y la fusión requiere una temperatura por encima de los 100 millones de ºC (unas diez veces la temperatura en el centro del Sol).
¿Cómo se puede realizar la fusión nuclear?
La reacción de fusión más sencilla que se produce en la Tierra tiene lugar entre dos isótopos del hidrógeno: el deuterio (D) y el tritio (T). La reacción produce una partícula alfa (un núcleo de helio) y un neutrón que tienen en conjunto una energía (cinética) de 17,6 MeV. Un gramo de mezcla de D-T podría generar 100.000 kilovatios/hora de electricidad. Para hacerse una idea, generar esta cantidad de electricidad requiere de unas 8 toneladas de carbón.
Fusión nuclear. Fuente: https://www.fullquimica.com/2013/03/fusion-nuclear.html
¿Cómo obtener esta materia prima para la fusión nuclear?
El deuterio se puede extraer del agua (cada metro cúbico de agua contiene 30 g). El tritio, radiactivo, no existe en la tierra salvo en cantidades insignificantes. Pero se puede producir a partir de Litio, un metal ligero y abundante, bombardeando éste con los neutrones producidos por la fusión.
Tipos de fusión nuclear que se están investigando y tratando de desarrollar
Para poder conseguir energía de la fusión nuclear, es necesario:
- Conseguir temperaturas de decenas de millones de grados, como ya se ha apuntado, para separar los electrones del núcleo y que éste se aproxime a otro venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. A esas temperaturas, se obtiene plasma.
- Confinar el plasma para mantenerlo a esas temperaturas un mínimo de tiempo.
- Que la densidad del plasma sea suficientemente alta para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan generar reacciones de fusión nuclear.
El mayor problema con el que se están encontrando los investigadores es el del confinamiento del plasma. El confinamiento que se utiliza en los reactores nucleares de fisión no es factible porque no soporta las temperaturas necesarias para la fusión.
Se han desarrollado dos métodos de confinamiento, que actualmente siguen en pruebas:
Fusión nuclear por confinamiento inercial (FCI): Consiste en crear un entorno tan denso que las partículas chocan entre sí con muchas más probabilidades que escapar.
Fusión nuclear por confinamiento magnético (FCM): Las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético. Es el método que emplea el ITER (del que hablaremos más adelante).
El estado del arte de la fusión nuclear
La fusión nuclear por confinamiento inercial se está intentando realizar en el NIF (National Ignition Facility) en Estados Unidos y también con el proyecto Gekko XII en Japón y el proyecto Omega en Reino Unido.
A estas iniciativas se han sumado algunas startups que están revolucionando el sector: la australiana HB11, la japonesa EX-Fusion, las norteamericanas Focused Energy y Helion Energy o, unas de las últimas en aparecer, la alemana Marvel Fusion, que propugna que su solución es más eficiente y produce menos productos radiactivos que el resto de proyectos, y que, según dice, cuenta con el apoyo de científicos del MIT, de Stanford y de la Universidad de Múnich.
De todas estas iniciativas, una de las que cuenta con más fondos es la de Helion Energy, que ha recaudado casi 600 millones de dólares de inversión hasta la fecha.
Respecto a la fusión nuclear por confinamiento magnético, que es la otra alternativa, uno de los principales focos de atención es el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), una colaboración de 35 países en la que un equipo internacional de científicos trabaja conjuntamente para construir el mayor tokamak del mundo, un dispositivo de fusión magnética que ha sido diseñado para demostrar la viabilidad de la energía de fusión.
Las instalaciones para tener fusión nuclear comercial se están construyendo en Francia. Los edificios y la infraestructura necesarios para lo que denominan el First Plasma están completados en un 80% y la primera fase de la máquina del ITER concluirá a finales de 2025. A partir de ese momento, se necesitarán 10 años más (2035) para lograr una planta a plena potencia. Si quieres ver el calendario detallado de la puesta a punto de este hito para la humanidad, puedes hacerlo aquí.
Fusión nuclear en España
España forma parte del proyecto ITER y, desde el año 2008, empresas españolas han conseguido más de 350 contratos en este proyecto, por un importe de más de 1.200 millones de euros. Sólo en 2020, la industria española ha conseguido más de 40 nuevos proyectos del ITER por un importe de más de 340 millones de euros.
Por otro lado, el organismo de la Unión Europea, Fusion For Energy (F4E), que se encarga de gestionar las licitaciones europeas al ITER, tiene su sede en Barcelona. Desde el F4E se está aportando el 45% de la construcción del ITER, cuyo coste total está actualmente estimado en alrededor de 25.000 millones de euros. F4E cuenta con una plantilla integrada en su mayoría por científicos, ingenieros y administrativos, de los que, aproximadamente, el 32% de ellos son españoles. Si quieres conocer en detalle la participación española en el ITER, que coordina el CDTI, puedes leer Las empresas españolas obtienen más de 340 millones en contratos del programa ITER.
Por último y quizás lo más importante, España tiene grandes posibilidades de albergar el proyecto IFMIF-DONES, cuyo objetivo es construir una fuente de neutrones que permita el desarrollo y validación de los materiales que se usarán en los futuros reactores de fusión. La instalación permitirá obtener información del comportamiento de estos materiales en condiciones similares a las que estarán sometidos en un futuro reactor de fusión. El proyecto estará coordinado por e CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas).
Esquema simplificado del funcionamiento de la instalación IFMIF-DONES – Fuente: CIEMAT
Si quieres saber más sobre el presente y el futuro del sistema energético mundial, no te pierdas este #FutureTalks con Vaclav Smil.
