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La energía del futuro: fusión nuclear

Publicado: 22/3/2021

Autor: Javier Pantoja

Reactor de fusión nuclear tokamak — Reactor de fusión nuclear *tokamak*
Creditos © ITER Organization, http://www.iter.org/

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 oido 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 iguales y 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 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 grados ºC, hasta que se convierte en plasma, y mantenerlo a alta presión por el tiempo suficiente para que la reacción se produzca. Cuando se producen suficientes reacciones se dice que se alcanzó la ignición y se vuelve autosuficiente, necesitando más combustible para continuar la reacción, de manera similar a como funciona una fogata, pero mucho más grande y caliente. 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 esta investigando es la fusión 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 toroidalnya kamera ee magnetnaya katushka – cámara magnética toroidal). 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 calentarla hasta los 150 millones de grados ºC. El tokamak es considerado el diseño más prometedor y se están conduciendo investigaciones en todo el mundo.

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, se encuentra en la atmosfera, en el mar y en minerales en todo el planeta, 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 mas 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 a lo más aproximadamente 4g 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 que es muy prometedora y podría traer grandes beneficios. Tendremos que esperar y ver cómo se seguirá desarrollando esta tecnología.