Energía limpia, abundante y barata

La energía de las estrellas

Replicar la forma en que las estrellas y nuestro sol producen la energía es un objetivo perseguido desde hace 70 años, que se ha manifestado elusivo para las capacidades y esfuerzos científicos de la humanidad. Se trata de conseguir una energía limpia e ilimitada que podría cambiar drásticamente nuestra manera de vivir. Ante lo que cabe preguntarse si ello será posible y, sobre todo, cuándo.

Desde que el británico Arthur Eddington propuso por vez primera, en la década de 1920, que el sol y las estrellas funcionaban con la fusión de hidrógeno en helio, su idea provocó una avalancha de especulaciones sobre la posibilidad de reproducir esa fuente de energía en la Tierra.

Las ventajas de la fusión nuclear

En el núcleo de las estrellas la gravedad provoca una enorme presión y calor, haciendo que los gases de hidrógeno y helio pasen al estado de plasma^[1]; esto permite una variedad de reacciones de fusión que producen una gran cantidad de energía^[2].

Las ventajas de esta forma de producción de energía son enormes. Los combustibles que pueden usarse para la fusión están ampliamente disponibles y pueden derivarse de sustancias como el agua y el litio. Un kilogramo de combustible de fusión podría proporcionar la misma cantidad de energía que 10 millones de kilogramos de combustible fósil. El proceso es libre de carbono y produce bajos niveles de desechos radiactivos, que tardan tan solo meses o años en descomponerse, en comparación con los siglos que tardan en desactivarse los desechos de las plantas nucleares tradicionales. Y se trata de un proceso seguro, por lo que ni es posible que se presente un accidente nuclear a gran escala ni existe riesgo de una reacción descontrolada. Además, cabe esperar que en la madurez de su desarrollo constituya una energía barata.

Las investigaciones y pruebas comienzan en los años 50

Las enormes virtudes de esta energía se corresponden con las dificultades para obtenerla. Aquí en la Tierra los científicos no disponen de esas gigantescas presiones existentes en el interior de las estrellas y, como contrapartida, se necesita alcanzar temperaturas aún más altas que las del Sol para obtener la misma reacción. El combustible de fusión, diferentes isótopos de hidrógeno, debe calentarse a temperaturas extremas, superiores a los 100 millones de grados centígrados, y debe mantenerse estable bajo una presión intensa durante el tiempo suficiente para permitir que los núcleos se fusionen. El objetivo es lograr la “ignición», que ocurre cuando tienen lugar suficientes reacciones de fusión para que el proceso se vuelva autosuficiente, para seguir agregando combustible fresco y continuar el proceso. La técnica que ha prevalecido para confinar el hidrógeno y conseguir esas temperaturas ha sido mediante la creación de campos magnéticos. En los años 50 del siglo pasado, científicos rusos desarrollaron un reactor al que se denominó “tokamak”, el cual consistía en un recipiente de vacío toroidal (es decir, con forma de toro o de rosquilla) que utiliza potentes electroimanes para comprimir, confinar y dar forma al plasma, y calentarlo a las temperaturas enormemente altas necesarias para que los núcleos de hidrógeno se unan. Hoy día se alcanzan temperaturas de 150 millones de grados centígrados, lo que significa diez veces más caliente que el núcleo del Sol.

La reacción más favorable se da entre los núcleos de dos isótopos del hidrógeno, el deuterio y el tritio. El deuterio se encuentra naturalmente en el agua de mar (30 gramos por metro cúbico), lo que lo hace muy abundante en relación con otros recursos energéticos. El tritio se encuentra de modo natural sólo en pequeñas cantidades (producidas por los rayos cósmicos), pero puede generarse en un sistema de fusión a partir de litio, que sí se halla en grandes cantidades (30 partes por millón) en la corteza terrestre, y en concentraciones más débiles en el mar.

El proyecto ITER

La investigación se inició en los años 50, pero, en plena guerra fría, la iniciativa quedó restringida a las dos grandes potencias, quienes mantuvieron en secreto todos sus avances, pues, por otra parte, estaban enmarcados en proyectos militares. De esta forma se desarrolló la bomba de hidrógeno basada en la utilización descontrolada de reacciones de fusión. Hasta que en 1958, en la conferencia internacional de Ginebra propiciada por Naciones Unidas y conocida como Átomos para la paz, en recuerdo del título de la conocida intervención del presidente Eisenhower de 1953^[3], se levantó el secreto oficial de las grandes potencias sobre la fusión nuclear y la investigación de la fusión se declaró una empresa de colaboración internacional. La expectación creada fue máxima, hasta el punto de que asistieron 5.000 científicos y observadores de todo el planeta. Y, a pesar de la advertencia del portavoz soviético, Lev Artsimovich: «no debemos subestimar las dificultades que habrá que superar antes de aprender a dominar la fusión termonuclear»^[4], se creó un ambiente de euforia por la pronta llegada de esta energía.

La dura realidad de los siguientes años, en la que se pusieron de relieve todas las dificultades que había que vencer y sin avances significativos en la dirección anhelada, generó un estado de frustración que dio pie al mantra de “la fusión es la energía del futuro y siempre lo será”.

Así las cosas, en 1984, el presidente soviético Gorbachov propuso una colaboración internacional sobre energía de fusión al presidente Ronald Reagan mediante la construcción, junto con Europa y Japón, de un nuevo reactor tipo tokamak [5] de mayores prestaciones que los existentes. De este modo nació ITER, un proyecto conjunto al que se fueron paulatinamente agregando países, hasta los 35 que actualmente participan. ITER es el acrónimo de International Thermonuclear Experimental Reactor, pero también responde al término latino para camino o ruta, el que debe conducir a la energía de fusión, inagotable, limpia y barata.

Se concibe como una herramienta experimental, un reactor de 500 MW de potencia que produzca una ganancia neta de energía, es decir, que produzca más energía que la necesaria para su funcionamiento; se espera una relación de 10 a 1 y una duración de la ignición entre 300 y 500 segundos.

Proyecto ITER (Imagen © ITER.org)

El proyecto ITER es seguramente el proyecto más ambicioso de la historia de la humanidad y, por su dimensión, un acuerdo de colaboración entre 35 países por un período de 35 años, se enfrenta no solo a problemas técnicos de gran calado, sino a problemas de organización inéditos; las diferentes agencias nacionales que intervienen contribuyen mediante el desarrollo autónomo de partes del proyecto. Se trata de una organización pesada a la que le cuesta reaccionar frente a los imprevistos del proyecto.

La ubicación del reactor se decidió en 2005 en un paraje del sur de Francia denominado Caradache, donde ya ha comenzado su construcción. Inicialmente estaba prevista su puesta en funcionamiento en 2010, pero ha ido sufriendo sucesivos retrasos y en estos momentos se prevé la puesta en marcha en 2024, el primer plasma en 2025 y el comienzo de la operación de fusión deuterio-tritio en 2035. La entrada en funcionamiento de una planta para producción de electricidad y vertido a la red tendría lugar en 2040 mediante una planta conocida como DEMO, también incluida en este proyecto.^[6]

Lo conseguido hasta hoy

En los dos últimos años se han alcanzado hitos importantes, unos ligados al proyecto ITER y otros no. Dentro de este proyecto, en 2021 el tokamak EAST de China consigue mantener una temperatura en el plasma de 120 millones de grados durante 101 segundos; en otro experimento se ha logrado una operación de plasma en estado estacionario durante 1056 segundos a una temperatura cercana a los 70 millones de grados^[7]. Así mismo, en 2022 el laboratorio europeo JET en Oxford ha conseguido una fusión sostenida durante 5 segundos obteniendo 59 megajulios, lo que equivale a 11 MW de potencia; Bernard Bigot, director del proyecto ITER, valoraba así el resultado: “Un pulso sostenido de fusión de deuterio-tritio a este nivel de potencia, casi a escala industrial, ofrece una confirmación rotunda para todos los involucrados en la búsqueda de la fusión global”^[8].

Pero el hito más celebrado ha sido el alcanzado en Estados Unidos por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore el pasado mes de diciembre. Hasta ese momento, ningún dispositivo había sido capaz de generar más potencia de fusión que la energía de calentamiento necesaria para iniciar la reacción, y esto es precisamente lo que se consiguió: el “encendido por fusión”. Así lo anunció el director de Política Científica y Tecnológica de la Casa Blanca, Arati Prabhakar, en una conferencia de prensa: «Dispararon un montón de láseres a una bolita de combustible, y se liberó más energía de ese encendido de fusión que la energía de los láseres que entraron»^[9]. Este centro de pruebas llamado Instalación Nacional de Ignición (NIF) no forma parte del proyecto ITER y la técnica en la que se basa es completamente diferente. Se trata de un espacio tan grande como tres campos de fútbol que dispone de 192 potentes rayos láser dispuestos simétricamente, que apuntan con precisión a una pequeña cápsula del tamaño de 1 milímetro, la cual contiene los isótopos de hidrógeno que deben ser fusionados; aquí las reacciones de fusión ocurren en una fracción de nanosegundo.

Se abren nuevas expectativas

Proyecto ITER (Imagen © ITER.org)

Desde la concepción en los años 80 del programa internacional ITER, reservado a agencias estatales, se han ido produciendo numerosos cambios tecnológicos de diferente naturaleza que, unidos a los propios avances de la investigación en el terreno de la fusión, han dado pie a la entrada con fuerza y ambición de empresas privadas, quienes también aspiran a ser actores en el desarrollo de esta nueva energía y no quieren resignarse a los plazos establecidos en ITER.

Además, numerosos avances tecnológicos están facilitando el desarrollo de nuevos reactores para la fusión: los recientes desarrollos en superconductores de alta temperatura y física de plasma; la inteligencia artificial y el aprendizaje automático, que permiten a los físicos evaluar grandes cantidades de datos necesarios para comprender cómo debe funcionar el plasma y para que se produzcan las reacciones de fusión; la impresión 3D, que permite fabricar piezas con formas geométricas complejas que se requieren en las paredes de las máquinas de fusión; o los controles digitales rápidos, que están permitiendo la supresión de las fluctuaciones de plasma, que provocan que la energía se escape de la reacción de fusión del núcleo.

Han aparecido más de una docena de nuevas empresas respaldadas por corporaciones, con sede en los Estados Unidos, China, el Reino Unido y Japón, que están siguiendo sus propios caminos hacia la producción de energía de fusión para su conexión a las redes eléctricas. Estas nuevas empresas están consiguiendo atraer al capital riesgo para su desarrollo, de forma que, según Bloomberg^[10], en 2021 se ha alcanzado la cifra de 3.400 millones de dólares de apoyo financiero a estos nuevos proyectos^[11] y se prevé un gran crecimiento en los próximos años. Estas empresas emergentes esperan operar reactores de fusión comerciales, con vertido de electricidad a la red, antes de finales de la década de 2020.

El pasado mes de marzo tuvo lugar en Estados Unidos la cumbre patrocinada por la Casa Blanca con el título Desarrollo de una audaz visión decenal para la energía de fusión comercial, en la que más de 1.200 espectadores asistieron a debates con la participación de los líderes de la energía de fusión del gobierno, la industria, la academia y otros grupos de partes interesadas. El clima general transmitía la idea de que estamos cerca de una aplicación práctica de esta energía. Bob Mumgaard, CEO de Commonwealth Fusion Systems, una de las nuevas empresas en el sector, puso la determinación y el optimismo con estas palabras: “Tenemos que ser audaces. Tenemos que decir que hay un objetivo al que ir. En eso es en lo que este tipo de evento es realmente bueno. En diez años, deberíamos poner plantas piloto en todo el país que incorporen lo último en ciencia y tecnología. Sabemos cómo hacer esto porque lo hemos hecho antes, ya sea con el Proyecto Manhattan o Apollo”^[12].

La previsión de Mumgaard es que, para el año 2050, se pueda cubrir la mitad de la demanda mundial de electricidad con energía atómica de fusión.

Los éxitos conseguidos en 2022, tanto en el laboratorio europeo JET como en el americano NIF, no son un logro menor y constituyen un importante acicate en el actual cambio de escenario: ha llegado la hora de olvidar aquello de “la fusión es la energía del futuro y siempre lo será”. Debemos confiar en que los nuevos vectores que recientemente han entrado en escena, los avances científicos y tecnológicos, el dinamismo de un nuevo empresariado y la confianza expresada por el capital riesgo nos acerquen en los próximos años a ese mito de energía limpia, abundante y barata que tratamos de copiar de las estrellas y que puede constituir una revolución para la humanidad.

Manuel Ribes

Instituto Ciencias de la Vida

Observatorio de Bioética

Universidad Católica de Valencia

^[1] El estado de plasma es, junto con los estados líquido, sólido y gaseoso, el cuarto estado de agregación de la materia, con propiedades distintas de los demás estados. Es un estado parecido al gaseoso, pero compuesto por átomos ionizados, donde los electrones circulan libremente.

^[2] La enorme cantidad de energía que se genera se explica por la pérdida de masa que se produce en la fusión de dos partículas. La equivalencia de la masa y la energía se describe mediante la famosa fórmula de Einstein E = mc². En otras palabras, la energía es igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Debido a que la velocidad de la luz es un número muy grande, la fórmula implica que cualquier pequeña cantidad de materia contiene una gran cantidad de energía.

^[3] Eisenhower’s «Atoms for Peace» speech – Atomic Heritage Foundation

^[4] Sabina Griffith Two weeks in September, 1958: Atoms for Peace conference in Geneva ITER NEWSLINE 01 SEP, 2008

[5] La palabra Tokamak, acrónimo del ruso тороидальная камера с магнитными катушками –toroidal’naya kamera s magnitnymi katushkami– (en español: cámara toroidal con bobinas magnéticas), es un aparato cuyo objetivo es obtener la fusión de partículas de plasma, lo que generaría grandes cantidades de energía, para así conseguir la reacción nuclear de fusión de dos partículas ligeras en una partícula más estable de peso medio y producir una energía en relación con la equivalencia de Einstein E=mc²