La fusión nuclear como fuente alternativa de energía

La entrada en funcionamiento del reactor experimental de fusión nuclear Joint European Torus (JET) en Culham, Gran Bretaña, en 1999, fue un hito histórico para el desarrollo de la tecnología de fusión. Científicos encendieron el plasma nuclear por primera vez el 9 de noviembre de 1999 utilizando el reactor JET. Con esta, lograron producir energía por dos segundos.

Con este acontecimiento, el sueño de emular energía solar en un espacio controlado está cada vez más cerca. Desde entonces, el desarrollo de los reactores de fusión se perfecciona día a día. Pero, el objetivo final que es generar energía duradera utilizando estos reactores, está todavía muy lejos. 

Para profundizar más en el tema, aquí les presentamos algunas preguntas y respuestas sobre fusión nuclear:

¿Qué es fusión nuclear?

Fusión nuclear es un tipo específico de reacción nuclear. Es el proceso por el cual, por ejemplo, el sol libera energía. Ahí a temperaturas extremas de varios millones de grados centígrados se funden los núcleos atómicos de isótopos del hidrógeno: deuterio y tritio o también conocidos como hidrógeno pesado e hidrógeno-3, respectivamente. De está fusión se producen helio, un neutrón y una cantidad enorme de energía suficiente para que la fusión solar nunca cese.

La fusión nuclear no ocurre únicamente en el sol, sino también en otras estrellas o en reactores de fusión experimentales tales como el JET. Así mismo, las bombas de hidrógeno o también conocidas como bombas termonucleares obtienen su energía por medio de fusión nuclear. Además, este tipo de bombas combinan la función de la bomba atómica convencional, que es producir por medio de fisión nuclear la detonación inicial de la reacción.

¿Cuáles son las ventajas de la energía de fusión en comparación con la energía de fisión?

En la fisión del uranio y plutonio, realizada en las clásicas centrales nucleares, se producen un sinfín de productos radiactivos. Algunos de estos se pueden transformar en nuevos combustibles, pero al final siempre quedan residuos radiactivos. Estas sustancias se deben almacenar por miles o cientos de miles de años en zonas geológicas profundas. En la fusión nuclear, por el contrario, el único producto radiactivo es el helio, un gas noble. Otra gran ventaja es que la reacción de fusión se extingue si no se le agrega nuevo combustible. Aquí no se genera la reacción en cadena que acontece en plantas nucleares convencionales. Por lo tanto, es imposible que el reactor de fusión se salga de control.

¿Cómo se inicia la reacción solar en un reactor de fusión?

Un reactor de fusión consiste en un campo magnético de forma anular conformado por enormes electroimanes superconductores. El centro del anillo se calienta en hornos de microondas, tan fuerte que se produce un plasma ardiente. Su temperatura debe ser lo suficientemente alta para que se inicie la reacción de fusión. El reactor se detona solo cuando se agregan los siguientes combustibles: deuterio y tritio. La meta es generar un plasma de fusión parecido al del sol, el cual, por medio de su propia energía de fusión siempre está activo.

¿Por qué existen diferentes diseños de anillos de reactor nuclear, tales como el tokamak y el stellarator?

Los reactores clásicos, como el del experimento JET o el reactor experimental internacional ITER, se componen de anillos tokamak. Así se denominan a los anillos que tienen una forma simétrica, lisa y recta similar a la de un neumático inflado. Su forma sencilla permite que se genere un campo magnético toroidal, a lo largo del anillo. De esta manera se garantiza un flujo continuo de plasma. Sin este flujo, la fusión nuclear cesaría. La producción de una corriente toroidal estable todavía es el principal factor limitante para lograr un funcionamiento continuo de fusión.

Otra alternativa para resolver este problema es el llamado stellator. Este dispositivo presenta una geometría muy compleja, como la que utiliza el reactor experimental Wendelstein 7-x (W7-x). Los stellators tienen la ventaja de que no requieren de una corriente toroidal continua, ni tampoco necesitan tener una corriente plasmática estable en el anillo. Por lo tanto, este diseño de anillo es prometedor para aplicarlo en un futuro, en una planta nuclear de continuo funcionamiento.

¿Cómo se logra estabilizar el plasma o gas ionizado?

Los experimentos realizados desde el año 1960 muestran que es posible iniciar una fusión nuclear al menos por un corto periodo de tiempo. Así mismo, ya se logró mantener la activación de un plasma no inflamable por un periodo de tiempo constante. Sin embargo, hasta la fecha no se ha conseguido obtener plasma incesante generado por reacción de fusión nuclear. Sumado a esto, ninguno de los dispositivos anteriores ha podido concentrar una gran densidad de energía en el anillo del reactor, hasta ahora. La temperatura en el centro del anillo debe mantenerse en todo momento por encima de los cien millones de grados Celsius.

El reactor experimental ITER se construye desde el año 2007 y se estima que entrará en funcionamiento a más tardar en el año 2025. EL ITER, al menos teóricamente, tendrá la capacidad de producir plasma constantemente sin necesidad de un aporte de energía adicional. Si todo sale de acuerdo con el plan, este reactor podrá mantener la fusión por varios minutos o hasta por horas.

¿Qué es lo que falta para construir una central nuclear?

Si el ITER es exitoso, este sería apenas el inicio de un largo camino para la construcción de plantas nucleares industriales. Esto se debe a que aún existen varios problemas que los ingenieros deben resolver. El mayor de ellos es el calor: ¿cómo se puede mantener la fusión de nuevo combustible y al mismo tiempo dirigir la energía, previamente producida en el núcleo del reactor, para que esté disponible y lista para usarse. 

Sumado a esto se encuentra la temperatura extrema que tienen los gases que se producen y salen del reactor. Estos tienen una temperatura cercana a los mil grados centígrados. Casi ningún material soporta este tipo de tensión para poder operar adecuadamente por largo tiempo. Investigadores de materiales trabajan bajo presión para dar una solución a este problema, ya que de esta depende el futuro de la fusión nuclear como una fuente alternativa de energía para futuras generaciones.

Autor: Fabian Schmidt / (KM)