Presente y futuro de la fusión nuclear

Entrevista a Isabel García Cortés, doctora en Ciencias Físicas e investigadora en el Laboratorio Nacional de Fusión del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)

¿Qué es la fusión nuclear y qué diferencia hay con la fisión nuclear que se lleva a cabo en las centrales nucleares?

Tanto la fisión nuclear como la fusión nuclear son energías que provienen del núcleo de los átomos, por eso se llaman nucleares. Se diferencian en que la fusión obtiene energía mediante la unión de dos núcleos, mientras que en la fisión se produce a partir de la separación de un núcleo pesado en dos más ligeros.

La fisión de un núcleo de un elemento pesado de la tabla periódica libera gran cantidad de energía como sabemos por las centrales nucleares de fisión que se extienden por el planeta. Sin embargo la fusión nuclear consiste en el proceso inverso, es decir, la unión de dos núcleos de elementos ligeros para conseguir un elemento más pesado desprendiendo a su vez gran cantidad de energía.

El proceso de fusión es el que se produce en todas las estrellas del universo. El Sol, por ejemplo, produce tanta energía porque en él se llevan a cabo continuamente las reacciones de fusión. Es decir, el calor que llega a la Tierra y que alimenta la vida en ella es debido a los procesos de fusión de núcleos de átomos de hidrógeno para dar helios. La investigación en fusión pretende simular los procesos del sol de manera controlada en la Tierra para ser usada como nueva fuente de energía que pueda dar respuesta a la demanda creciente de consumo energético de la humanidad.

Hace 70 años, cuando se inició la búsqueda de esta fuente de energía, los investigadores se fijaron precisamente en los procesos de las estrellas. Sin embargo, algo que en ellas parece sencillo, resulta ser uno de los mayores retos a los que nos estamos enfrentando en la actualidad.

¿Qué ventajas y desventajas tiene la fusión nuclear con respecto a la fisión nuclear?

Tengo que decir que la principal desventaja de la fusión frente a la fisión es que aún no la tenemos puesta en marcha, no existen reactores de fusión suministrando energía como hacen las centrales de fisión. Además, es mucho más difícil tecnológicamente. Con lo que sabemos hoy en día, una central de fusión será mucho más compleja técnicamente que una central de fisión.

En cuanto a sus ventajas, hay muchas. Para empezar, usa un combustible, el hidrógeno, que se encuentra fácilmente en la naturaleza, con lo que en principio tendríamos combustible inagotable. Por otra parte, la fusión nuclear no tiene reacciones en cadena porque en el caso de los reactores por confinamiento magnético, por ejemplo, los procesos se mantienen únicamente si existe una botella magnética que los mantenga estable y alejados de las superficies materiales. Si desconectamos dicho campo magnético, las reacciones se apagan, el combustible se enfría y termina siendo un gas de hidrógeno sin peligro alguno. No hay reacciones en cadena, a diferencia de la fisión, donde éstas pueden suponer un proceso difícil de controlar dado el caso.

Por último, los residuos que se generan en la fusión nuclear son de media o baja actividad, a diferencia de los residuos de las centrales de fisión, que duran centenares e incluso miles de años. Aunque no hay que olvidar que la energía de fusión también es nuclear y por lo tanto necesitará de una supervisión y una gestión de sus residuos de acuerdo con la legislación que marquen las autoridades competentes en temas nucleares.

¿Cómo funciona un reactor de fusión?

En un reactor de fusión por confinamiento magnético hay distintos procedimientos básicos. El primero es donde hacemos la fusión, cómo es el contenedor del combustible, en nuestro caso tiene la forma de un gran donut hueco donde se hace el vacío para asegurar que no entre ningún otro elemento que esté en el aire y trabajar así únicamente el hidrógeno.

Una vez hecho el vacío en nuestra cámara necesitamos el combustible. El hidrógeno se introduce en forma de gas el que necesitará ser calentado para que los núcleos tengan la oportunidad de fusionarse. Para ello el combustible necesitan estar a cientos de millones de grados, es decir, debemos subir mucho la temperatura del gas en la cámara y de esta manera ya no tenemos un gas neutro, en el que los electrones están unidos a los protones y al núcleo, sino que los electrones (carga negativa) se desprenden de sus núcleos de carga positiva y forman lo que se denomina el plasma. El plasma es nuestro combustible. Es el cuarto estado de la materia: un gas ionizado a muy alta temperatura.

Por último debemos poner en marcha imanes que generen una botella magnética capaz de confinar dicho plasma (al ser un gas ionizado las partículas seguirán las líneas de campo magnético) y así se evita que se acerque a las paredes. Estos pasos requieren en los reactores de última generación el uso de alta tecnología. Por ejemplo, se usan bobinas superconductoras para conseguir campos magnéticos más altos y con ello sean más eficaces en su cometido de confinar y mantener todas las partículas atrapadas y que no terminen en las paredes. En este aspecto el desarrollo de bobinas superconductoras es uno de los avances científicos que han venido a ayudar a la tecnología de fusión.

Una vez que se pone todo esto en marcha y se mantiene un tiempo lo suficientemente largo, las partículas empiezan a fusionarse y empiezan las reacciones. El calor desprendido de este proceso además de para suplir energía a la red se usará para calentar el propio plasma y así poder prescindir de los sistemas de calentamiento necesarios para iniciar las reacciones.

Aunque existen muchos experimentos en marcha que nos ayudan a tener un conocimiento avanzado de cómo podrán ser los reactores de fusión y poder así suplir con energía a la red eléctrica, lo cierto es que aún no existe un prototipo de reactor de fusión en marcha. La demostración de que ese reactor pueda dar energía suficiente para contrarrestar el gasto energético que supone encender las reacciones fusión es lo que pretende dilucidar el reactor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), un proyecto internacional que de aquí a 10 años deberá darnos respuesta a esa y otras muchas preguntas en el camino hacia el diseño de un reactor comercial.

¿Qué es ITER? ¿Qué objetivo persigue?

ITER es el gran sueño en el camino hacia la fusión. Cuando yo empecé en la fusión hace muchos años, ya se hablaba de ITER. Es un proyecto que ha ido evolucionando, pasando de ser una máquina relativamente sencilla y no tan ambiciosa hasta lo que es hoy en día que es un proyecto de gran envergadura donde confluyen muchos sistemas que llevan al límite la tecnología.

Ha tenido sus altos y sus bajos, modulado con el coste de los combustibles fósiles. La gran apuesta por la investigación en la energía de fusión surge con la crisis del petróleo de la década de los 70. Después, con el precio del petróleo barato, ha habido un estancamiento en el esfuerzo inversor en esta nueva fuente de energía con lo que las investigaciones han avanzado más lentamente. Lo mismo ha sucedido con proyectos como ITER.

Actualmente ITER está muy avanzado. Se trata de una colaboración internacional de 35 países (los 27 países de la Unión Europea, Suiza, Reino Unido, China, India, Japón, Corea del Sur, Rusia y EE.UU.), que busca dar respuesta a las grandes preguntas de la fusión como si es viable la fusión controlada como fuente de energía estable. Y es que sabemos que las reacciones de fusión se producen pero necesitamos saber también si podemos controlarlas de manera estable y predecible. No podemos tener inestabilidades del plasma de los muchos sistemas necesarios para la central, que no asegure la continuidad deseada en el suministro de energía.

ITER no es un reactor comercial pero es necesario para aprender y decidir el camino seguro hacia dicha central de energía de fusión.

¿Cuáles son las principales dificultades que hay para lograr un reactor de fusión?

Hay muchos retos y para muchos de ellos no habrá respuesta hasta que ITER no esté en funcionamiento.

Por ejemplo, hemos dicho que manejamos hidrógeno. Pero en realidad el hidrógeno está compuesto de tres elementos: el hidrógeno, el deuterio y el tritio. El hidrógeno no tiene neutrones en su núcleo, el deuterio tiene uno y el tritio tiene dos. Las reacciones más eficaces y las que nos llevarían a tener energía más fácilmente son las de deuterio y tritio. El deuterio está en el agua del mar, es fácil de obtener, pero el tritio no. Es un elemento que sólo tiene nueve años de vida media y hay que producirlo inicialmente en una central de fisión. Necesitamos tenerlo disponible para poder iniciar las reacciones de fusión en ITER o en futuros reactores.

En las reacciones un tritio más un deuterio da como resultado un helio más un neutrón de alta energía. El neutrón cede su energía en un manto de litio situado en la primera pared de la vasija. El litio del manto reacciona con el neutrón y da como resultado de nuevo el tritio que será necesario captar y reconducir de nuevo hacia el plasma para seguir alimentando las reacciones de fusión. Por lo tanto, el tritio tiene que ser reciclado, para que la fusión sea rentable. Y el proceso de captar ese neutrón en unos materiales especiales de la primera pared del reactor se probarán en ITER.

Otro reto lo encontramos en los materiales. ¿Cómo van a reaccionar los materiales ante tanto flujo de neutrones? Y no sólo esa primera pared sino también los materiales de las estructuras y de los sistemas adyacentes al reactor. Los neutrones los atraviesan y tenemos que tener la seguridad que no pierden sus propiedades ni la primera pared, que es fundamental en la recuperación del tritio, ni en la estructura, ni los diferentes diagnósticos básicos en el control del plasma etc.

Otro de los retos es el desarrollo de nuevos materiales específicos que soporten las condiciones de los futuros reactores de fusión. Y para esto es clave el gran acelerador de partículas IFMIF-DONES que se proyecta construir en Granada y que es un proyecto impulsado y desarrollado desde CIEMAT en colaboración con la Universidad de Granada. Servirá de banco de pruebas para testear y desarrollar los materiales óptimos para las futuras plantas de fusión.

En definitiva, hay muchas incógnitas.

Eres investigadora en el Laboratorio Nacional de Fusión, del CIEMAT. ¿Qué se investiga allí?

El buque insignia de nuestro laboratorio es el dispositivo de fusión TJ-II, sito en CIEMAT (en su sede de Moncloa) y que produce plasmas desde finales del siglo pasado. Está dentro del proyecto europeo para el desarrollo de la fusión como fuente de energía y colaboramos con otras instituciones internacionales para tratar de dar respuesta a diferentes aspectos del confinamiento magnético. Como ejemplo, cuál es la influencia de las diferentes configuraciones magnéticas en el confinamiento del plasma.

La construcción de máquinas para investigar el plasma en condiciones de fusión y su operación tiene un alto coste por lo que la inversión en esta rama de la ciencia está centralizada en los laboratorios que albergan estos dispositivos. En España por ejemplo el centro de referencia es el CIEMAT por albergar el TJ-II. Además cada dispositivo tiene características únicas y aborda o está especializado en líneas de investigación concretas con vistas a que todo el conocimiento confluya en el desarrollo de dispositivos de última generación.

En nuestro laboratorio, además de la investigación en el TJ-II han ido surgiendo diferentes grupos de trabajo de gran éxito. Tenemos investigadoras por ejemplo que colaboran con JET (U.K), el único dispositivo capaz de simular condiciones de reactor. Ellas han conducido algunos de estos experimentos recientemente y sus resultados tendrán gran impacto en el desarrollo de ITER y futuras máquinas.

Somos un grupo multidisciplinar por ello tenemos gran capacidad de abordar desarrollos tecnológicos relacionados con la energía de fusión. Por ejemplo, desde CIEMAT se coordina el diseño de diferentes sistemas de diagnósticos y de control de ITER que serán clave para su puesta en marcha y su explotación científica. Otro de los grupos importantes en nuestro laboratorio es el del desarrollo de la infraestructura IFMIF-DONES que debe dar respuesta al reto de los materiales de los reactores de fusión.

En mi grupo estudiamos un método alternativo para alimentar el plasma mediante pastillas sólidas de hidrógeno de un milímetro de diámetro, a temperatura de criogenia (4 grados kelvin) que inyectamos a alta velocidad para alcanzar fácilmente el centro del plasma, donde se dan las condiciones óptimas para las reacciones de fusión. En TJ-II hemos observado que dicha forma de introducir el combustible en el plasma nos amplía el rango operacional del TJ-II con mejor calidad del plasma y mejor confinamiento obteniendo récords en estos parámetros. Es una colaboración entre tres laboratorios de España, Alemania, Japón y los resultados tienen impacto en el desarrollo de estos sistemas para futuros reactores.

¿Qué papel jugará en el futuro la fusión nuclear dentro del mix energético internacional?

Aún quedan obstáculos que superar, es la razón por la que la mayor parte de la inversión en esta energía está sustentada con fondos públicos. Porque si existiera una seguridad absoluta de que las centrales de fusión son totalmente rentables su construcción y desarrollo habría pasado ya a manos de las grandes compañías eléctricas.

Pero yo creo que el ser humano está acostumbrado a superar retos que a generaciones enteras le han podido parecer retos imposibles por lo que sí creo que las centrales de fusión serán una realidad en un futuro no muy lejano.

¿Qué papel van a jugar? Tendrá un papel, pero no va a solucionar todo el problema de la energía. El ser humano es un gran consumidor de energía y estoy segura que habrá que echar mano de todas las fuentes que estén a nuestro alcance.

Se debería tener mucho más cuidado con el medioambiente e intentar reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles. El futuro del mix energético debería ir encaminado al uso de renovables más nucleares, imprescindible para avanzar en la descarbonización del planeta.

¿Cómo será el futuro? Difícil de imaginar con los cambios geopolíticos que observamos últimamente. Estos cambios tienen gran influencia en las decisiones sobre política energética de los países y lo que en un momento dado puede ser prioritario como el cierre de las centrales nucleares en Alemania, en otro momento puede ser visto como un salvavidas ante la escasez o la imposibilidad de importar productos necesarios para producción de energía, en este caso el gas.

Algunos estudios sociológicos apuntan a que las centrales de fusión sustituirán el abastecimiento por energía de fisión cuando se vayan agotando sus recursos, pero esto, como digo forma parte del largo plazo y es difícil de prever.