Fusión nuclear

Continuo con la serie de entradas relacionadas con la energía, tocando el tema de la fusión nuclear.

Lo primero que debo dejar claro es que es ésta una tecnología que está en desarrollo, que no debéis confundir con la fisión nuclear que se da en las centrales atómicas al uso. Si todo va según lo planeado, las primeras centrales comerciales de fusión se empezarán a construir allá por el 2050. Pero nadie puede predecir el futuro de la investigación, y que no nos topemos en este tiempo con dificultades, no insolubles, pero que el estado actual de la ciencia y la tecnología no sea capaz de abordarlas, y tengamos que esperar varios siglos.

¿Qué es la fusión nuclear?
Es la unión de dos átomos de elementos ligeros para formar uno más pesado. Al producirse esta unión, se libera una gran cantidad de energía.

Pero ¿de dónde viene esta energía?
Para ello, tendré que refrescaros un poco la memoria, y explicar antes un par de cosas.

Los isótopos:
Los núcleos de los átomos están constituidos, como nos enseñaban en el cole, por protones y neutrones. Los primeros con una carga unitaria positiva y, los segundos, sin carga. Orbitando en torno al núcleo están los electrones, en diferentes niveles de energía.

Lo que determina de qué elemento se trata es el número de protones (número atómico). Un átomo con 26 protones podemos asegurar con certeza que es un átomo de hierro (Fe). Sin embargo, ese átomo de Fe puede tener un número indeterminado de neutrones. El 91% del hierro que se encuentra en la naturaleza es ⁵⁶Fe, es decir, tiene 30 neutrones (el numerito en pequeño se le conoce como masa atómica, y es la suma de protones y neutrones en ese átomo). Pero también existe el ⁵⁴Fe, con 28 neutrones, y el ⁵⁷Fe con 31 neutrones…incluso hay un hierro que es radioactivo, el ⁵⁹Fe, que tiene 33 neutrones. Sí, sí, hierro radioactivo. Y todo ello es hierro, indistinguible, con las mismas propiedades químicas (es decir, se oxida igual, permite formar aceros al asociarse con el carbono, las mismas aleaciones…). Estos diferentes tipos de hierro se les conoce como isótopos, y sólo pueden ser diferenciados por una leve variación de sus propiedades físicas, en concreto, la densidad (ese neutrón de más o de menos no afecta a la carga y, por lo tanto, a sus propiedades químicas, pero tiene una masa que se refleja en la escala macroscópica).

Los isótopos del hidrógeno:
Todo átomo de hidrógeno, el elemento más simple, tienen un protón. Pero hay tres tipos, sabores o, más técnicamente, isótopos del hidrógeno:
– Protio (¹H), cuyo único protón no tiene la compañía de ningún neutrón. La enorme mayoría del hidrógeno que existe en el mundo es de este tipo.
– Deuterio (²H). Uno de cada 6500 átomos de hidrógeno es de deuterio, el isótopo de hidrógeno que tiene un neutrón y un protón.
– Tritio (³H). Este isótopo tiene dos neutrones. Se produce de forma natural por el bombardeo neutrónico de los rayos cósmicos sobre los átomos de nitrógeno de la atmósfera, que los divide en un átomo de carbono y otro de tritio. Sin embargo, es muy difícil encontrarlo en la naturaleza porque es radioactivo, es decir, inestable, y se transforma en helio emitiendo un electrón (radiación β). La vida media de este isótopo es de 12 años, es decir, al cabo de ese tiempo la mitad de una cantidad de tritio habrá decaído transformándose en helio. Es imposible predecir en qué momento un átomo radioactivo se descompondrá; sin embargo, podemos saber estadísticamente cuánto tarda de media. Es más, es una de las medidas más exactas y nos sirve para, por ejemplo, la datación por radiocarbono en prehistoria.

Podemos beber agua formada por átomos de deuterio y no nos daríamos cuenta. Porque es agua. La única diferencia es que el vaso de agua formada por deuterio pesa un 10% más (agua pesada), se congela a 3ºC y bulle a 101ºC. Por lo demás, podríamos hacer un caldo con ella, o un café, que tampoco notaríamos la diferencia.

Ahora que ya conocemos un poco más de la estructura atómica, podemos seguir con la fusión nuclear.

La reacción más sencilla para llevar a cabo una reacción de fusión nuclear es uniendo un átomo de deuterio (²H) con otro de tritio (³He), para dar un átomo de Helio-4 (⁴He ó partícula α).

Un protón y un neutrón del deuterio, un protón y dos neutrones del tritio dan lugar a dos protones y dos neutrones del Helio. ¿?¿?¿ Nos sobra un neutrón. Efectivamente, como vemos en el gráfico, esta reacción emite un neutrón a gran velocidad (unos 52.000km/s, la sexta parte de la velocidad de la luz) y, por lo tanto, muy energético.

La energía del átomo de helio la podemos usar para mantener la reacción, mientras que esos neutrones-perdigones podemos recogerlos (detenerlos) transformando su energía cinética en calor y obteniendo un montón de energía.

¿Cuánta? Muchísima, una burrada. Un orden de magnitud superior a la fisión del uranio por unidad de masa, y millones de veces más poderosa que una reacción química (como, por ejemplo, la combustión).

Pero ¿de dónde viene esa energía? Es verdad, que aún no lo he explicado. Si ponemos en una balanza el átomo de deuterio y el de tritio, y luego pesamos el de helio más el perdigón, perdón, el neutrón que ha salido disparado, notamos que ha habido una pérdida de masa. ¿Cómo? ¡Nos han timado! No, es que ese exceso de masa (masa media por nucleón) se ha convertido, como genialmente predijo Einstein, en energía.

Expliquémonos un poco más. Un átomo no pesa lo mismo que la suma de las masas de los protones y los neutrones que lo forman, sino un poco menos. Parte de esa masa se ha transformado en la energía de ligadura (fuerza nuclear fuerte), que mantiene todos esos elementos unidos. Los elementos más estables son los de número atómico intermedio (el hierro, el níquel…), es decir, son los que han gastado más masa en crear una gran energía de ligadura. Por contra, los elementos más pesados (como el uranio, el plutonio) o los más ligeros (como el hidrógeno o el helio), al evolucionar hacia los elementos intermedios (por fisión en el caso de los pesados, por fusión en caso de los ligeros), liberan una energía que es ese exceso de masa para formar el átomo siguiente.

Bueno, pues ya sabemos, por fin, de dónde viene toda esa burrada de energía que se libera en una reacción nuclear de fusión.

Y ahora ¿a qué esperamos para producirla? ¿Qué es lo que hace falta?

Para recibir, antes hay que dar. Recordemos que los núcleos tienen carga positiva, por los protones. La fuerza con que se repelen dos imanes de igual signo es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Para lograr que dos átomos se unan en uno solo hemos de lograr acercarlos; pero claro, cuanto más cerca los tenemos, con más fuerza rechazan este acercamiento.

Y ése es el problema: para lograr una reacción de fusión, hay que aportar una cantidad descomunal de energía, para vencer esa repulsasión de cargas eléctricas del mismo signo. Una vez vencida, la fusión nos devolverá con creces la energía empleada, pero hay que alcanzar ese umbral energético.

Para que nos hagamos una idea de la cantidad de energía que necesitamos y podemos obtener de una reacción de fusión, podemos acudir a la primera reacción provocada por el hombre: la bomba de hidrógeno. Cuando a gringos y soviéticos las bombas de uranio, y luego de plutonio (es decir, de fisión, como las de Hiroshima y Nagasaki) les empezaron a parecer pequeñas, crearon un nuevo tipo de bomba, mucho más poderosa: la bomba H (bomba de fusión de átomos de hidrógeno). Para «encender» la reacción, una bomba de hidrógeno cuenta con una bomba de fisión nuclear. Es decir, la bomba de hidrógeno usa una bomba nuclear como «mechero» para encender la mecha de la bomba. La energía obtenida por esa primera explosión nuclear consigue encender la reacción de fusión, que es mucho mayor.

Pero una bomba de hidrógeno es una reacción de fusión descontrolada. Esto es relativamente fácil de lograr (de fácil no tiene nada, sólo USA y Rusia tienen la tecnología para crear bombas de este tipo, el resto de potencias atómicas siguen experimentando con las mucho menos potentes bombas de fisión…que son suficientes para abrasar una ciudad con sólo una de ellas, como desgraciadamente pudieron saber los japoneses).

Lo importante es lograr esta reacción de fusión, pero dentro de un reactor, para poder controlar la reacción y aprovechar la energía liberada para otra cosa que no sea volatilizar ciudades.

Hay tres formas de lograr una reacción de fusión:

– La que emplea la Naturaleza en las estrellas. Las estrellas, nuestro Sol entre ellas, son grandes acumulaciones de hidrógeno (el elemento primordial) que, gracias a su descomunal masa, lograron de la gravedad la energía necesaria para encender la reacción de fusión. El Sol, por lo tanto, no es más que un gigantesco reactor de fusión que convierte hidrógeno (500 millones de toneladas por segundo, menudo horno) en helio (de ahí el nombre de este elemento), produciendo en este proceso energía para llenar de luz y calor todo el espacio circundante (como podemos soportar estos abrasadores días). Lleva haciéndolo 5.000 millones de años, y le queda hidrógeno para seguir alumbrándonos otro tanto, hasta convertirse en una gigante roja.

Como todos los aficionados a la fotografía sabemos, la temperatura del sol es de unos 6500K (6227ºC). Pero esa es la temperatura de la superficie solar. En el núcleo del horno, las temperaturas son del orden de los millones de grados, exactamente 13 millones de grados (a estas temperaturas, no interesa la diferencia entre grados Kelvin y Celsius). Para hacernos una idea, el hierro se vuelve líquido a 1300ºC y es un gas a 2700ºC. Incluso el wolframio de los filamentos de las lámparas, el mineral que más resiste la temperatura, sería un gas en la relativamente fría superficie del sol. Si con unos miles de grados se vaporiza el hierro, con varios millones de grados…

Como nosotros no podemos jugar con la gravedad, hemos de recurrir a otros métodos para acumular la energía suficiente para lograr encender la reacción de fusión.

– Confinamiento inercial. Este método continua hoy bajo secreto militar, por sus aplicaciones directas en la fabricación de armas (es la forma de probar a escala armas nucleares sin necesidad de detonar bombas reales). Se basa en la deposición de energía en forma de haces láser o de radiofrecuencias sobre una pequeña bola de combustible (poco más que una canica). Toda esa energía vaporiza la cubierta de la bola, aumentando bruscamente la presión del núcleo y provocando su implosión. Cuando la densidad y la temperatura han alcanzado un punto, la bola de hidrógeno se enciende comenzando la reacción de fusión.

Para que la deposición de energía sea simétrica, los pulsos láser no se dirigen directamente a la bola sino que inciden en una superficie esférica circundante, la cual devuelve esa energía en forma de rayos X, que inciden en la bola en todas las direcciones, logrando que la compresión de la bola sea uniforme.

– Confinamiento magnético. Estos son los reactores tipo Tokamak (un acrónimo del ruso: тороидальная камера с магнитными катушками, es decir, cámara toroidal con boninas magnéticas, siglas muy descriptivas), y es donde está haciéndose la mayor parte del esfuerzo de investigación civil. El ITER, el reactor de fusión que se está construyendo en los alrededores de Marsella, en un esfuerzo de investigación internacional, es de este tipo.

Explicado sucintamente, un tokamak es un recinto con forma toroidal (es decir, de dónut) dentro del cual se introduce el combustible (como sabemos, los dos isótopos raros del hidrógeno, el deuterio y el tritio). El combustible se calienta por radiofrecuencia (y por la propia resistencia ohmnica creada por su flujo) hasta el estado de plasma (el cuarto estado de la materia, en el cual los electrones se deslocalizan y la materia se vuelve extremadamente conductora) y más allá.

La temperatura que debe alcanzar ese haz de plasma es superior a los cien millones de grados. Es decir, el gran reto, y ahora entenderéis por qué supone el mayor desafío de la ciencia actual, es tener un chorro de plasma a una temperatura que es diez veces superior a la temperatura que existe en el centro del Sol, y varios cientos de miles de veces la temperatura de la corteza solar. Evidentemente, no hay ningún material que logre contener ese plasma sin vaporizarse instantáneamente, por lo cual se debe mantener suspendido en el vacío mediante potentes electroimanes. Quizá suene fácil, pero conducir ese chorro ardiente y enloquecido, afectado por complicadísimos campos magnéticos toroidales y poloidales que interactúan entre sí, supone un increíble reto para físicos y matemáticos. Puede que demasiado grande para nuestra era.

Hasta hoy, mantener estable ese haz de fuego durante unos pocos segundos se considera un tremendo éxito. En el ITER, dentro de un par de décadas, se intentará mantener la reacción de fusión durante varias centenas de segundos. Si se consigue, sabremos que la fusión nuclear es viable como fuente de energía.

Porque no sólo hay que forzar la reacción de fusión, sino que hay que saber aprovechar la energía de la reacción. Hasta ahora, estamos consumiendo más energía en provocarla que la que recuperamos, aunque con el ITER se espera un parámetro de amplificación de potencia superior a 1 (es decir, que produzca más energía que la que necesita para crear y mantener el plasma).

Las dificultades son enormes. Por enunciar sólo una de ellas: las bobinas que se utilizan para producir los campos magnéticos que dirigen el haz tienen que estar a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273ºC). A esta temperatura, las espiras de la bobina se convierten en un superconductor, con una bajísima resistencia eléctrica, que permiten crear campos magnéticos muy potentes con un relativamente pequeño consumo de energía (relativamente, porque el consumo de estas bobinas es brutal). Imaginad el problema, unas bobinas a una temperatura próxima al cero absoluto, rodeando una cámara que alcanza temperaturas diez veces superiores a las del núcleo de una estrella. Para mantener tan baja temperatura alrededor de un horno estelar, las bobinas tienen que operar en ultra alto vacío. La cuestión es que, en este estado superconductor, el material es también extremadamente frágil. Y las bobinas suponen la mitad del precio de un reactor de fusión. El desafío científico y tecnológico es, como decía, descomunal. Quizá insalvable, durante generaciones.

Los beneficios son también, en el caso de tener éxito, enormes. El combustible es prácticamente ilimitado. El deuterio lo podemos obtener del hidrógeno del agua pues, si bien sólo una mínima parte del agua está formada por deuterio, tenemos agua para aburrir en el planeta. Producir agua pesada no es ningún misterio desde hace décadas, es un combustible barato y seguro ya que no es radioactivo).

El tritio es muchísimo más raro en la Naturaleza, pero no hay mayor problema porque se puede producir en el mismo reactor a partir del litio. ¿Os acordáis de la reacción de fusión entre deuterio y tritio? Se obtenía un átomo de helio y, además, un neutrón a gran velocidad. Ese neutrón se dirige contra un blanco de litio, produciendo el tritio necesario para continuar la reacción. Esta es una nueva seguridad, pues el único combustible radioactivo se va produciendo según se va necesitando, y sólo se acumulan pequeñas cantidades al mismo tiempo en el reactor.

Y litio, como sabéis, lo hay en grandes cantidades en la superficie terrestre (regiones con grandes recursos evaporíticos son los Andes, con Chile y Bolivia como estrellas principales, pero también China y se rumorea que Afganistán).

Llegado este punto, merece la pena recordaros que las cantidades de combustible necesarias para funcionar una hipotética planta comercial de fusión nuclear son muy pequeñas, en comparación con las enormes cantidades de combustibles fósiles que se necesitan para operar las centrales térmicas, que se aprovechan de la muy débil energía química contenida en las moléculas de hidrocarburos. La fusión de un kilogramo de deuterio con otro de tritio equivale a la combustión de cientos de toneladas de carbón, metano o petróleo. O de varios kilos de uranio.

Energía inagotable y en abundancia. Hace falta ver si también es barata, cosa que dudo, pero lo primero es lograr que sea energéticamente viable (que el retorno sea superior a la energía invertida).

Otra promesa, la ausencia de residuos radioactivos, no es totalmente cierta. Efectivamente, el helio que se obtiene como residuo de la reacción es inerte, nada peligroso. Sin embargo, el infierno que se vive dentro del reactor hace que los materiales del mismo reciban un continuo bombardeo de neutrones muy energéticos. Estos neutrones transmutan los elementos del reactor en otros, algunos de ellos sí que pueden ser isótopos radioactivos.

En el IFNIF, se están radiando materiales con neutrones de similar nivel de energía que tendrán en el interior de un futuro reactor de fusión, para conocer qué materiales pueden ser mejores para este cometido (es decir, soportar la lluvia de neutrones sin transformarse en otros elementos peligrosos).

En cualquier caso, la cantidad de residuos radioactivos por unidad de energía producida asociados a la fusión nuclear es miles de veces menor que los que se producen en un reactor de fisión nuclear, tanto en volumen como en radiotoxicidad.

Para prevenir estos resíduos radioactivos, se proponen reacciones de fusión entre ³He o entre un protón y un borón (combustibles de tercera generación), las cuales no producen activación neutrónica. Pero para lograr esas reacciones se necesitan temperaturas cien veces superiores a las que precisa la fusión ²H+³H, y la densidad energética de esta reacción es miles de veces menor. Por lo tanto, os puedo asegurar que no viviremos para ver reactores de este tipo, y probablemente ni nuestros nietos los conozcan.