Por qué No Existen Centrales de Fusión Nuclear?

• La fusión nuclear es una fuente de energía limpia y abundante.
• A pesar de décadas de investigación, aún no hay centrales de fusión en funcionamiento.
• La fusión tiene ventajas significativas sobre la fisión, especialmente en términos de seguridad y radiactividad.
• Los desafíos técnicos actuales hacen que la creación de un reactor de fusión sea un proceso complejo.
• Pronto, la energía de fusión podría estar más cerca de ser una realidad.

La fusión nuclear es una fuente de energía limpia, segura y casi ilimitada. Pero aunque los primeros experimentos se construyeron hace ya más de 70 años, parece que nunca acaba de llegar. Esta es la broma de que la energía de fusión siempre le quedan 30 años para hacerse realidad, lo digas cuando lo digas.

¿Pero cuál es el problema? ¿Por qué aún no tenemos centrales de fusión nuclear? ¿Y cómo puede ser segura una fuente de energía que implica calentar algo a cientos de millones de grados?

Bueno, en cuanto a Quantum Fracture, hemos hecho las maletas y vamos a emprender un viaje. Acompañadnos.

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¿Y dicho todo esto, respondamos a por qué es tan maravillosa la fusión nuclear y por qué no la tenemos todavía?

Lo primero que hay que aclarar es que estamos hablando de fusión nuclear, que funciona así: hay dos maneras de obtener energía manipulando el corazón de los átomos. La fisión los rompe, la fusión hace lo contrario: ¿juntarlos? Sí, rompiendo se produce energía y juntando también.

¿Cómo es esto? ¿Qué ocurriría si dejo una pelota en lo alto de una montaña? Rodará abajo, hasta el valle... eso es porque está ahí.

La gravedad, las fuerzas del mundo quieren que la pelota esté abajo. Y en este proceso, la pelota libera energía.

Pensadlo. Para subir la pelota a la montaña, hace falta energía. Energía que almacena la pelota y se libera cuando baja. En este caso en forma de energía cinética, es decir, bajando a toda leche.

A los átomos les pasa algo igual. Su valle es tener un tamaño medio, como el del hierro o el níquel. Núcleos muy estables. Las uniones entre sus protones y neutrones son las más fuertes.

La montaña, o más bien las montañas, es tener núcleos pequeños o demasiado grandes. Ambos, en el proceso de bajar la ladera, de crecer o disminuir de tamaño, liberan energía.

Los gordos recorren ese camino partiéndose los trozos. Deben ceder parte de su energía para formar las uniones más intensas que caracterizan a los núcleos medianos. Y lo mismo ocurre cuando se juntan dos núcleos pequeños. Tienen que perder energía para convertirse en un núcleo más estable.

Si os preocupa esto de formar enlaces perdiendo energía, tenemos este vídeo en el que lo explicamos con más cuidado.

La cuestión es que esa energía que liberan los núcleos al partirse (la fisión) o los núcleos al juntarse (la fusión), es la que podemos aprovechar.

Hace años que tenemos centrales de fisión, pero las centrales de fusión se nos resisten. Construir una central de fusión es algo así como crear un sol en la Tierra.

Las reacciones de fusión son las que hacen brillar a las estrellas. Solo hay un gran problema, y con uno quiero decir muchísimos.

En el sol, cuatro núcleos de hidrógeno, cuatro protones, se juntan en uno de helio porque están más a gusto unidos. Pero eso no significa que lo tengan fácil. Como os contábamos en este vídeo, deben vencer su enorme repulsión electrotática.

Las cargas positivas se repelen. Si logran superar esa barrera es porque van a toda pastilla, porque el sol es gigantesco y las somete a altas presiones. Por improbable que sea, acaba sucediendo. Y aún así tienen que echar mano de un truquito cuántico.

Como no podemos construir un reactor del tamaño del sol, debemos cambiar algunas cosas para EMP, la reacción. Fusionar cuatro hidrógenos para producir helio es especialmente difícil. Dos de ellos han de transformarse en neutrones, un paso que también es muy improbable.

Para hacerlo viable, una alternativa es sustituir el hidrógeno puro por deuterio y tritio, dos de sus isótopos hermanos del hidrógeno, que ya traen neutrones de ser el deuterio tiene uno y el tritio dos.

Así, un núcleo de deuterio y 1 de tritio pueden juntarse para dar un núcleo de helio sin que ninguno de los protones tenga que transformarse. Ah, y además se libera un neutrón rapidísimo, que es el que nos sirve para obtener la energía.

Pero la diferencia de densidad entre un reactor nuclear y el centro del sol es tan, tan grande que con cambiar la reacción no basta. Hay que compensarlo con velocidad. Para que en un reactor tengamos suficientes fusiones tenemos que aumentar la temperatura diez veces.

Necesitamos pasar de 15 millones de grados a 150 millones. Es todo un reto. Pero es que la fusión tiene un montón de ventajas.

En primer lugar, el deuterio y el tritio son muy accesibles. Cada vez que bebes un vaso de agua estás ingiriendo unos miligramos de deuterio. Cada 6700 átomos de hidrógeno, uno es de deuterio. Y si hay algo que tenemos en nuestro planeta es agua.

Podríamos aprovechar la del mar para obtener deuterio a manos llenas. Y aunque en la naturaleza no hay tritio, dado que es radiactivo y se desintegra en unos 13 años, en principio se puede obtener a partir del litio, que es muy corriente.

De hecho, la idea es introducir el litio dentro de los reactores para producir el tritio in situ. Estos elementos son tan abundantes que estamos hablando prácticamente de una fuente de energía casi inagotable. Duraría millones de años como poco.

Hay que decir que utilizar deuterio y tritio no es la única opción. Por ejemplo, también podríamos juntar simplemente dos núcleos de deuterio para dar un neutrón y 1 núcleo de helio tres, un isótopo del helio con un solo neutrón en vez de los dos habituales.

Así nos ahorraríamos tener que producir el tritio y nos olvidaríamos de su radiactividad. De hecho, eso es lo que hacen casi todos los experimentos que se han construido hasta la fecha.

El problema es que la reacción produce mucha menos energía y requiere temperaturas aún más altas, de 400 o 500 millones de grados.

Y es que resulta que el neutrón extra del tritio reduce la repulsión electrotática que se opone a la fusión. Digamos que ayuda a que los núcleos se peguen.

Si tenemos en cuenta tanto la temperatura necesaria como la energía generada, usar deuterio y tritio es la mejor opción.

Otro punto fuerte de la fusión es que es muy eficiente. Consume muy pocos recursos. La unión del deuterio y el tritio por kilogramo genera cuatro veces más energía que la desintegración del uranio.

Y la diferencia con el carbón es abismal. Necesitaríamos 11 toneladas para obtener la misma energía que con 1 g de deuterio y tritio. De hecho, las centrales de fusión consumirían apenas unos cientos de kilos de deuterio y tritio cada año.

Y ya sabemos que la energía nuclear, ya sea de fusión o de fisión, no produce gases de efecto invernadero de forma directa.

Ahora, la gran ventaja de la fusión respecto a la fisión es la radiactividad, o mejor dicho, la falta de ella. En los reactores de fusión se produciría helio, que es un gas inerte. En condiciones normales no reacciona con nada.

El tritio sí es radiactivo, pero se descompone enseguida y se usaría muy poquito. Las paredes del reactor también acabarían siendo radiactivas debido a los choques de los neutrones generados en las reacciones de fusión.

Sin embargo, los materiales dejarían de ser peligrosos en unos 50 o 100 años y podrían reciclarse. En cambio, los residuos de las centrales de fisión mantienen una alta actividad durante miles de años y hay que almacenarlos a largo plazo.

Todo parecen ventajas. ¿Entonces, por qué es tan difícil llevar a la práctica la fusión nuclear? ¿Dónde está mi reactor milagroso? Que yo lo vea.

He aquí el atrapar: si queremos obtener suficiente energía, las partículas tienen que pasar cierto tiempo en el reactor. Tenemos que confinarlas de algún modo. Eso puede lograrse de varias maneras.

En el caso del sol, es su propia gravedad la que mantiene a los protones atrapados. Como no está a nuestro alcance, tenemos que buscar otras opciones. Una es el llamado confinamiento inercial. En este caso, el deuterio y el tritio se encuentran dentro de una minúscula pelotita.

Si depositamos suficiente energía en su superficie, la pelotita estallará y comprimirá el combustible hacia adentro. Eso permite alcanzar la densidad necesaria para que se produzca la fusión.

La otra posibilidad es el confinamiento magnético. Fijaos, a las enormes temperaturas que se alcanzan en una estrella o un reactor, los electrones escapan de los átomos. Es por eso que siempre hablamos de núcleos de hidrógeno, deuterio o tritio.

El combustible se convierte en un plasma, una sopa de núcleos positivos y electrones negativos, que a veces se comportan como un fluido y otras veces como partículas independientes. Ahora, cuando tenemos una carga eléctrica, podemos usar un campo magnético para ejercer una fuerza sobre ella.

Y dado que el plasma está formado por cargas libres, podemos manipularlo y darle la forma que queramos usando un campo magnético apropiado. Esto es crucial por dos motivos.

El primero es que si el plasma tocara las paredes del reactor, podría dañarlas. Y es que el metal que más temperatura aguanta, el wolframio, se funde a 3400 grados, y el plasma está decenas de miles de veces más caliente.

Pero es que además eso haría que la fusión se detuviera. Resulta que el plasma en realidad tiene una densidad bastante baja. En cada momento hay menos de 1 g de combustible dentro del reactor.

Y eso significa que aunque esté a cientos de millones de grados, el plasma almacena muy poquita energía. Es como las chispas de una bengala. Si te cae una en la piel, ¡Wo! Es una partícula al rojo vivo a más de 1000 grados. Pero no te mueres, porque aunque esté muy caliente, es muy pequeña.

Al entrar en contacto con algo mucho más denso, como las paredes del reactor, el plasma se enfriaría en cuestión de milisegundos. Es por eso que la fusión nuclear es tan segura. Si por algún motivo se rompiera el reactor, el plasma se enfriaría casi al instante en contacto con el aire, y los rapidísimos y peligrosos neutrones dejarían de producirse.

Al contrario de lo que pasa con la fisión, las centrales de fusión no pueden salirse de madre.

Todo esto es muy bonito, pero hay un gran problema: el plasma no le gusta estar atrapado. Trata constantemente de escapar de su jaula magnética. Al estar tan caliente, tiende a volverse inestable, amplificando cualquier pequeña perturbación que se produzca.

Por ejemplo, aparecen diferencias de temperatura a lo largo del plasma y este se vuelve turbulento, como un río fuera de control, con remolinos que empujan las partículas hacia fuera. En los bordes se producen erupciones, como fulguraciones solares en miniatura, que envían parte del plasma contra las paredes del reactor.

Otras veces se producen haces de electrones rapidísimos que pueden penetrar en los componentes y dañarlos. Aquí está gran parte del lío.

Los investigadores que hicieron los primeros experimentos de fusión, allá por los años 50 o 60, pensaban que crear una central iba a ser tan fácil. Solo tenían que hacerlos más grandes y listo. Pero entonces se encontraron con el problema de la turbulencia, un fenómeno terriblemente complejo de entender y controlar.

Otra cosa difícil de conseguir es que el balance de energía sea positivo. Me explico: para llevar el plasma a esas temperaturas tan increíbles hay que aportar muchísima energía. Y claro, para que la cosa nos salga rentable, necesitamos que las reacciones de fusión produzcan aún más.

El punto en que se genera tanta energía como la suministrada se conoce como punto de equilibrio o break even. Sin embargo, con eso no basta. Solo una parte de la energía generada se queda en el plasma, y queremos que sea suficiente para mantenerlo caliente y que la fusión continúe sin nuestra ayuda. Es la famosa ignición.

De momento, el único experimento que ha generado más energía que la suministrada es el desarrollado en el NIF, en EE. UU., donde usan un porrón de láseres para producir la fusión mediante la técnica de confinamiento inercial.

¿Significa eso que están listos para crear una central comercial? De ninguna manera. Y es que los láseres que calientan el combustible son muy ineficientes para aportar una determinada cantidad de energía. Gastan 100 veces más.

Así que si tenemos todo en cuenta, el balance energético sigue siendo muy negativo. Como veis, los obstáculos no son precisamente moco de pavo, pero en los últimos años se han hecho grandes progresos.

¿Quién sabe? Puede que por primera vez a la energía de fusión le queden menos de 30 años para entrar en nuestras vidas. ¿Pero por qué? Dejemos que la gente del experimento de fusión más grande del mundo nos lo cuente.

¿De qué material está hecho el dispositivo? ¿Cómo hacen para calentar el plasma? ¿Cómo se convertirá en electricidad la energía generada en las reacciones de fusión? Si queréis saber todas estas cosas, os esperamos en el segundo vídeo de esta trilogía nuclear. Y ya sabes, si quieres más ciencia, solo tienes que suscribirte. Muchas gracias por vernos.