La energía del conocimiento. Fusíon nuclear.

En este artículo vamos a hablar sobre una tecnología que, con casi toda seguridad, será una revolución mundial y con ello se conseguirá resolver gran parte de los problemas energéticos, económicos, geopolíticos y medioambientales que existen aún en nuestros días y que son en cierta medida, un impedimento para el desarrollo sostenible de la humanidad.

Como dijo el físico Steven Cowley: " En el futuro dejaremos de producir energía a través de los recursos naturales de la tierra para producir energía a través del conocimiento humano".  Hablaba de la tecnología del conocimiento, la tecnología de fusión.

A diferencia de la tecnología de fisión, la fusión consiste en fusionar átomos de nucleo pequeño para formar nucleos más pesados y de mayor tamaño, pero: ¿Qué tipo de átomos podemos fusionar?

Cuando tratamos de juntar dos átomos existen dos tipos de fuerzas, una primera fuerza de repulsión cuando los átomos se encuentran separados como consecuencia de la interacción entre los electrones de uno y otro átomo. Si  seguimos aproximando los átomos aparecerá una segunda fuerza de atracción, y es junto el momento donde puede darse el fenómeno de fusión.

No todos los átomos pueden ser fusionables, básicamente los átomos fusionables son aquellos que están situados sobre la parte superior de la tabla periódica en los periodos 1 y 2 siendo el más sencillo el átomo de hidrógeno.

Es por tanto, que al igual que ocurre en el sol, la tecnología de fusión trata de fusionar el átomo más sencillo, el átomo de hidrógeno a través de sus dos isótopos, el Deuterio y el Tritio. Por un lado, el Deuterio es aquel isótopo de hidrógeno que presenta en su núcleo un neutrón y un protrón, isótopo bastante abundante que se encuentra en el agua de mar (33 mg por Litro). El segundo isótopo, el Tritio, es aquel isótopo de hidrógeno que presenta en su núcleo dos neutrones y un único protón. Este isótopo es menos común en la naturaleza y por tanto, hay que sintetizarlo de manera artificial (en los prototipos experimentales a partir de Litio).

Una vez presentados los átomos que vamos a fusionar, ¿qué ocurre cuando ésto sucede?, puen bien, la respuesta es la siguiente:

Figura 1. Esquematización del proceso de Fusión.

Cuando se fusionan los átomos Deuterio y Tritio lo que conseguimos es formar un átomo de Helio, el cuál en un primer momento es inestable y se fragmenta rápidamente para pasar a una forma de Helio-4 más estable liberando un neutrón y una gran cantidad de energía según las siguientes ecuaciones:

                               Deuterio + Tritio => Helio-4 (3.52 MeV) + n (14.06 MeV)

Donde el Tritio es regenerado en una capa periférica del reactor denominada "manto fertil" compuesta de Litio-6 y Litio-7, el cual absorverá los neutrones procedentes de la reacción anterior para producir Tritio y Helio-4 según las siguientes reacciones:

                              Litio-6 + n => Helio-4 + Tritio + 4.86 MeV (Exotérmica)

                              Litio-7 + n => Helio-4 + Tritio + n - 2.5 MeV (Endotérmica)

Estas son las reacciones que en mayor medida fundamentan el fenómeno de fusión. Sin embargo, además de estas reacciones, existen otras reacciones secundarias y paralelas al proceso entre las diferentes partículas y átomos existentes en el reactor que deben tenerse en cuenta si estableciéramos un balance de materia y energía del mismo, pero que sin embargo, a efectos descriptivos del proceso no los vamos a tener en cuenta salvo su mención:

                             Deuterio + Deuterio => Helio-3 (0.82 MeV) + n (2.45 MeV)

                             Deuterio + Deuterio => Tritio (1.01 MeV) + p (3.03 MeV)

                             Deuterio + Helio-3 => Helio-4 (3.67 MeV) + p (14.67 MeV)

En cuanto a la cuantificación de la energía generada en el proceso, como hemos visto en las ecuaciones anteriores, la fusión es la unión de dos núcleos generalmente pequeños para dar lugar a un nucleo atómico de mayor tamaño con la perdida de una cierta cantidad de masa en forma de partículas. Pues bien, esa pequeña cantidad de masa que se pierde en forma de partículas está directamente relacionada con la energía generada en forma de energía cinética de los núcleos atómicos resultantes  a través de la ecuación de Einstein: E = mc².

Una vez que hemos descubierto qué tipo de átomos pueden ser fusionables y qué sucede si se produce un fenómeno de fusión, sólo nos quedaría responder a la cuestión de ¿Cómo se podría llebar a cabo el fenómeno de la fusión?.

La respuesta a esta cuestión se encuentra aún por desarrollar, es decir, la respuesta se encuentra en el desarrollo tecnológico. Para poder llevar a cabo una reacción de fusión, el gas que contiene los átomos debe calentarse hasta una temperatura de 150.000.000ºC, es decir, 10 veces la temperatura del nucleo interno del Sol, transformando este gas en plasma.

Para poder conseguir esta reacción sin que el plasma se escape, lo que se hace es calentar una pequeña fracción de átomos de Deuterio y Tritio (éstos aportados externamente) los cuales se encuentran confinados en un gran campo magnético que evita que este plasma pueda salir. Al calentarse el plasma, éste en su movimiento, no puede tocar las paredes del campo magnético, haciendo que éste consecuentemente siga aumentando su temperatura aproximándose a la temperatura de fusión. Una de las ventajas que presenta el fenómeno de fusión es que, el proceso cuanto mayor temperatura alcanza más eficiente se vuelve hasta conseguir ser autosostenible.

En la actualidad existen importantes programas de desarrollo tecnológico de fusión. Uno de los primeros reactores experimentales de fusión, el JET (Join European Torus) perteneciente a la Unión Europea y construido en Oxford llegó a producir 16 MW de potencia. El JET posee una forma toroidal rodeado por una serie de bobinas creando el campo magnético. Además puede contener 80 m³  de plasma, con una altura de 12 metros y un radio similar. 

Figura 2. Imagen del JET

El siguiente paso en el desarrollo tecnológico de fusión es el proyecto ITER ( International Thermonuclear Experimental Reactor). Se trata del reactor de fusión nuclear experimental con una capacidad de 1000 m³ de plasma y que deberá alcanzar ganancias energéticas entre 5 y 10 veces con lo que se conseguiría la viabilidad científica y tecnológica para considerar la tecnología de fusión como fuente de energía.

En cuanto a la construcción del ITER han participado grandes países como China, Estados Unidos, India, Rusia, Japón, Corea y Europa que participa como un único socio. El Reactor experimental está situado en Cadarache, en el sur de Francia. 

En cuanto a su complejidad tecnológica, ITER es un prototipo de forma toroide, en cuyo interior se sitúa el plasma donde se espera alcanzar temperaturas próximas a cien millones de grados, y confinado en un campo magnético proporcionado por un conjunto de bobinas superconductoras que trabajan cercanas al cero absoluto (1,4 K).

Figura 3. Esquema del ITER

Finalmente, Si bien es cierto que la complejidad tecnológica es tremendamente complicada y que todo apunta a que ITER no entrará en operación real hasta la decada de los años 30, todo el esfuerzo económico, científico y tecnológico es de un valor incalculabe ya que las ventajas medioambientales que presenta frente al resto de tecnologías son:

1. Cero emisiones de carbono en formas de dióxido o monóxido de carbono.
2. Cero emisiones de gases de efecto invernadero.
3. Cero generación de residuos radiactivos, ya que Deuterio, Tritio, Helioo Litio no son elementos radiactivos que presenten peligro ni para las personas ni para el medio ambiente.

Las ventajas en cuanto a la reducción del consumo de materias primas es realmente importante, se estima que cada kg de fusión equivaldría a 10.000.000.000 kg de combustible fósil. La cantidad de Litio que contiene la bateria de un ordenador portatil junto con la mitad de agua de una bañera serían suficientes como para proveer de energía a un ciudadano europeo medio durante 30 años.

En cuanto a las ventajas en torno a la seguridad de operación son infinitamente superiores si las comparamos con la tecnología de fisión nuclear, ya  que la fusión nuclear es intrínsecamente segura, tan pronto como las condiciones óptimas de funcionamiento se degraden por algún fallo del sistema, el reactor se volverá incapaz de mantener las severas condiciones de operación, la reacción de fusión dejará de existir y las altas temperaturas se enfriarán rápidamente sin dejar a penas calor residual. 

Es por tanto, que en caso de fallo en una planta de generación de energía a través de fusión nuclear no sería necesaria la evacuación de la población ni la toma de medidas contra el impacto ambiental, ya que no se trabaja con elementos radiactivos ni hay existencia de fuga de plasma por los motivos que acabamos de exponer.

Por todo ello, volvamos a mencionar las palabras del físico Cowley: " En el futuro dejaremos de producir energía a través de los recursos naturales de la tierra para producir energía a través del conocimiento humano"  Tan pronto como el conocimiento humano nos permita desarrollar tecnología capaz de generar energía a través de la fusión, dejaremos de consumir cantidades enormes de recursos naturales y con ello, desaparecerán gran parte de las consecuencias derivadas de su explotación y consumo como, los conflictos geopolíticos, crisis económicas e impactos y catástrofes medioambientales.

Un saludo y hasta pronto.