Dos experimentos inéditos acercan la fusión nuclear limpia

Casi toda la energía que consumimos procede de la fusión nuclear. El petróleo que alimenta nuestros coches o el carbón que se quema en las centrales térmicas procede de plantas que acumularon en sus organismos la energía del Sol de hace millones de años. El gas natural que alimenta muchas centrales eléctricas y sirve para calentar el agua de la ducha es metano, fruto, en buena medida, de los procesos de putrefacción de plantas en el pasado. Y la energía eólica solo es posible gracias a los vientos que alimenta esa gran central de fusión nuclear que es nuestra estrella.

Pese a que nuestra energía procede de esa máquina capaz de unir átomos de hidrógeno y liberar una gran cantidad de energía en el proceso, hasta ahora, ha sido imposible replicar el sistema de manera artificial para conseguir lo que sería una fuente prácticamente inagotable de energía relativamente limpia.

En los últimos días, sin embargo, se han producido algunos pequeños pasos que pueden ser importantes para que en el futuro la humanidad pueda aspirar a controlar la energía de las estrellas. El 29 de septiembre, según un investigador español conocedor del proyecto, en la Instalación Nacional de Ignición (NIF, de sus siglas en inglés), un centro de investigación en armamento nuclear de EEUU que también aspira a realizar aportaciones en el ámbito del uso civil de la energía de fusión, se inició un experimento en el que se logró por primera vez que la energía generada en una diminuta cápsula con hidrógeno fuese superior a la empleada para comprimir esa materia.

La propia forma de explicar el avance indica que, al menos para quien esperase ver mañana el inicio de una era de la fusión nuclear, se trata de un progreso humilde. Para provocar la fusión en una cápsula de dos milímetros de diámetro, fueron necesarios los 192 haces del láser más potente del mundo y aún queda mucho tiempo para que la energía creada por este tipo de fusión artificial compense, además de la energía necesaria para comprimir una cápsula de combustible, los 1,82 millones de julios que libera el láser.

Sin embargo, pese a que los frutos del avance no llegarán mañana a los hogares de los ciudadanos, es un hito que nunca se había logrado antes en ninguna otra instalación de fusión. Sus autores lo consideran una demostración científica de que es posible que, después de disparar a la cápsula con un láser, en su interior, como si fuese una minúscula estrella, se produzca una reacción de fusión que caliente la cápsula.

El 1 de octubre, el día de su nombramiento como responsable de los esfuerzos del NIF para buscar posibilidades de desarrollo científico y aplicaciones comerciales a esta tecnología, Edward Moses, director asociado principal de la institución, afirmaba que “los resultados obtenidos” les han dado la confianza en que su “programa de fusión inercial por confinamiento está teniendo grandes progresos”. “Hemos demostrado el autocalentamiento de una cápsula de ignición” y “estoy deseando buscar colaboraciones para hacer realidad el objetivo de 50 años de la energía de fusión”, concluyó.

Otro de los aspectos interesantes de este avance es que se ha logrado que con las reacciones de fusión se logre una generación de neutrones un 75% mayor que el récord anterior. Este dato es interesante porque coincide con las simulaciones que se habían hecho previamente del proceso, ofreciendo así confianza en las predicciones hechas por los científicos y en que el resultado no ha sido una simple casualidad.

Introduciéndose en el detalle de los sucedido en el experimento, lo que han logrado los investigadores del NIF es que los átomos de helio que se forman cuando se fusionan dos núcleos atómicos de hidrógeno depositen su energía en la cápsula sobre la que se disparó el láser. De esta manera, sin más energía externa que la que ya se proporcionó de forma abundante con 192 rayos de luz, sería posible realimentar el proceso de fusión. Así, los átomos de hidrógeno, azuzados por el calor liberado por los núcleos de helio, se seguirían uniendo para producir nuevos núcleos de helio que con su calentamiento mantendrían viva la llama de la pasión entre los núcleos de hidrógeno. Y así sucesivamente. Ahora, para que este baile sirva para algo más práctico que este costoso experimento, será necesario mejorar la eficiencia de los láseres, para que la energía generada en la cápsula de combustible compense todo el gasto del proceso.

Competencia entre tecnologías

Desde el campo competidor en el ámbito de la fusión, el de quienes buscan una aplicación enfocada solo a la producción de energía a través de la tecnología de confinamiento magnético y tienen como proyecto estrella el ITER, matizan el valor del logro. Joaquín Sánchez, Director del Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT, afirma que “es un resultado importante que ayudará a entender mejor la  física de la fusión inercial”. Sin embargo, si se va más allá del interés científico del logro y se analiza el uso de esta tecnología desde el punto de vista de la producción de energía, sus resultados son modestos.

“Si nos fijamos en la energía generada por la reacción de fusión y la dividimos por la energía inyectada en el sistema tendríamos una fracción del 1% para los experimentos actuales de NIF, frente al 60% obtenido ya en los años 90 en los ‘tokamaks’ (confinamiento magnético) TFTR (situado en Princeton, EEUU) y JET (situado en Oxford y propiedad de la Comision Europea)”, explica Sánchez. Además, recuerda que, como los reactores de confinamiento como el ITER están menos orientados a la física de la reacción termonuclear (de gran interés en investigación militar) y más a la obtención neta de energía, sus objetivos finales también tienen ambiciones distintas. El “NIF tiene como objetivo alcanzar el 100% de la energía inyectada mientras que ITER se fija el 1000%, es decir, obtener diez veces mas de lo que se inyecta”, asevera.

Pese a estas diferencias, Sánchez reconoce que a largo plazo “es difícil predecir cual de las dos tecnologías se consolidará antes como fuente de energía”, porque “ambas vías tienen ventajas e inconvenientes”. La fusión inercial, explica, puede mantener los elementos mas sensibles como los láseres lejos de la cámara de fusión, “una ventaja importante tanto para la construcción como para el mantenimiento”.

“Por el contrario, en fusión magnética hay que integrar todos los sistemas, muy complejos, justo alrededor de la zona de reacción, imanes superconductores con temperaturas cercanas al cero absoluto a un par de metros de distancia de la zona de reacción en la que las temperaturas son de millones de grados”, explica el investigador. “Esto complica mucho el diseño y el posible mantenimiento de la planta”, añade. Por su parte, la desventaja principal de la fusión inercial es el bajo rendimiento de los láseres y la dificultad de hacerlos trabajar a alta tasa de repetición de los disparos. “Se necesitan diez disparos por segundo para una central de producción de energía y a día de hoy solo se ha conseguido producir un disparo cada varias horas”, concluye.

Fusión nuclear más limpia

Un segundo paso interesante en el desarrollo de una energía de fusión viable se publicó esta semana en la revista Nature Communications. Ahí, un equipo de científicos dirigido por Christine Labaune, directora de investigación del Laboratorio del CNRS para el Uso de Láseres Intensos de la Escuela Politécnica de Palaiseau (Francia), explica cómo lanzaron protones contra un plasma de núcleos de boro. Del choque, como en el caso del experimento del NIF, surgían núcleos de helio, pero en este caso, a diferencia del experimento estadounidense, no se liberaban neutrones, responsables de una radiación peligrosa para la salud que haría la energía de fusión menos limpia. Este experimento, sin embargo, se encuentra en una fase mucho más preliminar y no logró esa fusión sostenida que sí se produjo en el NIF.

La ausencia de neutrones se explica porque se emplean simples protones, sin neutrones asociados. En un experimento como el del NIF, el combustible utilizado son dos isótopos del hidrógeno, deuterio y tritio, que tienen, además del protón de costumbre, uno y dos neutrones acoplados respectivamente. Además, a diferencia del experimento estadounidense, los franceses solo necesitaron dos láseres: uno para generar el plasma con el boro y otro para crear el haz de protones que iban a lanzar contra ese plasma. Esta mayor simplicidad permitiría, según sus autores, que en el futuro esta tecnología se convirtiese en una alternativa con la que lograr recrear el descomunal reactor nuclear que alimenta la vida en la Tierra.