La energía del futuro: fusión nuclear

Con la creciente demanda de energía eléctrica en todo el mundo siempre se están buscando nuevas formas para producir más energía, sin mencionar que para mitigar los efectos del cambio climático es necesario cambiar a fuentes de energía limpias. Todos hemos oído hablar de la fisión nuclear, los combustibles radioactivos y la energía que producen, pero quizás la fusión nuclear y los llamados soles artificiales sean una mejor alternativa.

Fisión nuclear

La fisión ocurre cuando un neutrón choca con el núcleo de un átomo pesado, lo cual lo vuelve inestable y se divide en dos núcleos más pequeños que el original, liberando una gran cantidad de energía en el proceso. Al dividirse el núcleo libera neutrones adicionales que pueden producir una reacción en cadena.

Controlando la velocidad de la reacción se puede aprovechar la energía liberada para calentar agua y, con el vapor, mover turbinas para generar electricidad. En los reactores de fisión nuclear se suele emplear uranio o plutonio como combustible y la energía que se produce es un millón de veces la que se obtiene de quemar combustibles fósiles de la misma masa.

Fusión nuclear

La fusión ocurre cuando dos átomos ligeros se unen para formar un átomo más pesado. Para lograr esto, la fuerza nuclear que mantiene los núcleos unidos debe superar la fuerza de repulsión electromagnética, ya que, como los núcleos están cargados positivamente, se repelen como dos imanes. Al juntarse los átomos, se pierde masa y se libera energía.

Las reacciones de fusión nuclear ocurren todo el tiempo en el Sol, ahí la fuerza gravitacional, la presión y la temperatura proveen las condiciones ideales para que se produzcan. Sin embargo, reproducir esas condiciones en la Tierra es mucho más complicado.

¿Cómo funcionan los reactores de fusión?

Se usan como combustible dos isótopos de hidrógeno (un isótopo es un átomo con la misma cantidad de protones, pero diferente cantidad de neutrones): el ²H o deuterio y el ³H o tritio. El combustible se debe calentar a al menos 150 millones de ºC, hasta que se convierte en plasma, y mantenerlo a alta presión por el tiempo suficiente para que la reacción se produzca. La ignición se alcanza cuando la energía que depositan los productos de la fusión basta para mantener caliente el plasma sin calentamiento externo, de manera similar a una fogata que, una vez encendida, se mantiene con su propio calor mientras tenga leña, pero mucho más grande y caliente. El plasma debe seguir confinado, y para mantener la reacción en un reactor hay que reponer el combustible que se consume (Departamento de Energía de EE. UU.). Es debido al plasma a altas temperaturas que los reactores de fusión se han ganado el apodo de soles artificiales.

Actualmente, el método principal que se está investigando es la fusión por confinamiento magnético (MCF por sus siglas en inglés). Los campos magnéticos son ideales para controlar el plasma, ya que las cargas de los iones hacen que sigan las líneas de los campos. La configuración magnética más eficiente es la toroidal, en forma de dona.

Existen varios tipos de sistemas de confinamiento magnético en configuración toroidal, pero el más importante es el tokamak (del ruso toroidalnaya kamera s magnitnymi katushkami, «cámara toroidal con bobinas magnéticas»). En un tokamak, el campo magnético es generado por una serie de bobinas alrededor del reactor y una corriente eléctrica se le induce al plasma para calentarlo (la corriente sola lo lleva a unos 10 millones de ºC; sistemas de calentamiento adicionales lo elevan hasta los 150 millones de ºC). El tokamak es considerado el diseño más prometedor y se están conduciendo investigaciones en todo el mundo. Otra vía es el confinamiento inercial, en el que láseres comprimen y calientan el combustible: en diciembre de 2022, la National Ignition Facility (EE. UU.) logró con este método la primera ignición por fusión controlada en un laboratorio, al obtener 3,15 MJ de energía de fusión a partir de 2,05 MJ de energía láser entregados al blanco (Departamento de Energía de EE. UU.).

Ventajas y desventajas

La mayor ventaja que tiene la fusión nuclear ante la fisión es la cantidad de energía que produce por masa. Una reacción de fusión de deuterio y tritio libera 17.6 MeV (2.8 x 10^-12 J), mientras que una reacción de fisión de uranio libera 200 MeV (3.2 x 10^-11 J), pero debido a que el uranio es más pesado que el hidrógeno, el proceso de fusión libera 4 veces la energía de una reacción de fisión de la misma masa y por lo tanto 4 millones de veces la que se obtiene de quemar combustibles fósiles de la misma masa.

Además, el combustible para la fusión nuclear es prácticamente inagotable. El deuterio abunda en el agua de mar y el tritio se produce a partir del litio, presente en la corteza terrestre y en el mar. Se estima que las reservas de estos combustibles en la Tierra podrían durar miles o millones de años. Sin embargo, por las condiciones necesarias para el funcionamiento de los reactores de fusión, estos deben ser bastante más grandes que los de fisión y son más caros de construir y mantener. Y la tecnología aún está en desarrollo por lo que hay problemas que no se han resuelto, pero también deja espacio para mejoras.

Limpieza y seguridad

Por la naturaleza de las reacciones de fusión, es necesario que haya un suministro constante de combustible y en un reactor habrá menos de 4 g de combustible en un momento determinado, por lo que, en caso de alguna falla, la reacción se detendría inmediatamente. Y si se pierde la función de enfriamiento, las temperaturas no alcanzarán a derretir las paredes del reactor. Por ello, un accidente como el de Fukushima o Chernóbil no es posible.

El tritio es radioactivo y tiene una semivida de 12.3 años, es por ello que en el futuro se busca lograr fusión de deuterio con deuterio en lugar de deuterio con tritio, para así eliminar este último como residuo. Sin embargo, el tritio se puede manejar y confinar de manera segura hasta que pierda su radioactividad.

Aún quedan estudios y problemas por resolver para que la fusión nuclear se convierta en una fuente de energía común en el mundo, pero no hay duda de que es muy prometedora y podría traer grandes beneficios. ITER, el tokamak experimental que se construye en Cadarache (Francia), prevé comenzar su operación de investigación en 2034 y la operación con deuterio y tritio en 2039 (World Nuclear Association). Tendremos que esperar y ver cómo se seguirá desarrollando esta tecnología.