Energía Nuclear II: Fusión Nuclear

Se ha dicho que el nivel de vida y el grado de desarrollo de una civilización humana dependen de la disponibilidad de energía que tiene. En un pasado no tan remoto, el hombre disponía solamente de su propia musculatura para hacer el trabajo físico. Más adelante la mayoría de las civilizaciones tuvieron a su disposición animales domésticos para carga y tiro, tales como caballos, bueyes, camellos, elefantes y llamas. Además, aprendieron a utilizar algunos recursos naturales en su provecho, como la luz solar que permitía la agricultura; las corrientes de aguas que movían las ruedas de molinos; y la fuerza del viento que impulsaba los navíos por los océanos del mundo.

En los últimos siglos el uso de energía por habitante ha crecido en forma exponencial. Con la máquina de vapor el hombre tuvo a su disposición una manera de producir energía mecánica que cambió al mundo, provocando la revolución industrial. Pronto le siguieron la generación y utilización de la electricidad, el motor a combustión interna, y finalmente, durante a mediados del siglo XX de los reactores de fisión nuclear. Todo parecía ir bien hasta que en las últimas décadas del siglo XX llegó nos dimos cuenta que las reservas de petróleo era limitadas, y que la energía de fisión nuclear era demasiado peligrosa para sernos de mucha utilidad.

Hoy nos encontramos ante un problema energético grave. Estamos en un punto donde se requiere cada vez más energía, no sólo para suplir las necesidades básicas de la población sino que también para elevar el nivel de vida general de la humanidad. Sin embargo, las fuentes de energía que disponemos en la actualidad están llegando al límite de lo que pueden hacer por nosotros. Las que tenemos a nuestra disposición en la actualidad son los combustibles fósiles, la energía de fisión nuclear, la energía hidráulica, la energía solar, la geotérmica y la eólica. Veamos porqué cada una de ella tiene limitaciones graves.

Los combustibles fósiles presentan varios problemas. Primero, las reservas son limitadas y la demanda siempre creciente permite prever que a largo plazo no contaremos con ellas. Más grave aún, la quema de combustibles fósiles es una fuente importante de contaminación atmosférica. Además, ha sido identificada como la causa del efecto invernadero que está provocando el calentamiento global de la Tierra.

La energía de fisión nuclear, si bien no provoca polución atmosférica, es potencialmente más peligrosa que la quema de combustibles, pues de producirse un accidente tiene el potencial de contaminar con radioactividad zonas extensas de terreno, inutilizando el área por siglos. El daño que produce a la población no se limita a la muerte directa, sino que se extiende a la inducción de cánceres y mutaciones de las células germinales de las personas, con consecuencias en futuras generaciones. Es más, el manejo de los residuos radiactivos es complejo, pues requiere de instalaciones capaces de almacenarlos por los miles de años que le toma a la radioactividad en consumirse. Además, los proyectos de fisión nuclear demandan grandes inversiones, tanto en las plantas como en el transporte, con el fin de aumentar la seguridad. Gastos necesarios para evitar accidentes, y para impedir que los materiales radioactivos caigan en manos de terroristas, quienes los pueden usar en la confección de armas radioactivas y bombas nucleares. Todo esto hace que la fisión nuclear sea muy cara y compleja, y que no tenga futuro como alternativa energética.

La energía hidráulica es capaz de generar energía en la cantidad que demanda nuestra sociedad. Sin embargo, la construcción de represas presenta un impacto ambiental que es cada vez más intolerable. Y aún si se hiciera uso intensivo de ella, la disponibilidad de ríos aptos para ser represados es baja, por lo cual esta alternativa tampoco es viable a largo plazo. Otras formas de energía, como la térmica, solar y eólica, están limitadas tanto por su rentabilidad como por su naturaleza caprichosa, por lo cual no pueden representar más que paliativos al problema y no soluciones a largo plazo.

Para salir de esta encrucijada energética sólo existen dos caminos disponibles. Uno es el aprovechamiento de la energía solar directamente en el espacio, pues ahí se puede captar en grandes cantidades y sin las limitaciones del ciclo diario ni de la interferencia de la atmósfera, pero tal proyecto requeriría de inversiones y de una infraestructura que escapan a lo que la humanidad puede hacer en el presente. Más cercano está el uso de la fusión nuclear; fuente de energía perfectamente factible de realizar y que está en plena etapa de desarrollo. Se trata de una tecnología que sabemos que funcionará bien pues sobre nuestras cabezas hemos tenido por miles de millones de años un gigantesco reactor de fusión nuclear: el Sol.

Reactores de fusión nuclear

Aún cuando suelen confundirse, la fusión nuclear es completamente diferente a la energía nuclear convencional, o fisión. Se trata, en efecto, del proceso inverso. En vez de destruir átomos pesados para generar energía, la fusión toma átomos ligeros y los fuerza a unirse en elementos más pesados. En el proceso la fusión genera mucho más energía que la energía atómica convencional.

Existen varios procesos de fusión alternativos, pero en la actualidad se investiga el denominado “deuterio más tritio” (llamado D+T), que consiste en fusionar dos formas de hidrógeno en átomos de helio. El hidrógeno común cuenta de un protón y un electrón que le circunda, y esa es la forma más común de ese elemento. sin embargo los elementos atómicos se presentan en variedades, llamadas isótopos, que difieren de acuerdo al número de neutrones que hay en el núcleo atómico. El deuterio es el isótopo del hidrógeno que tiene como núcleo a un protón y un neutrón, mientras que el tritio es aquel con un protón y dos neutrones. Ahora bien, la reacción de fusión consiste en unir un átomo de deuterio con uno de tritio, lo cual genera como resultado una partícula alfa (o núcleo de helio-4, isótopo de helio con dos protones y dos neutrones) de 3,5 MeV y un neutrón libre con una energía de 14,1 MeV. Como resultado de la reacción se liberan 17,6 MeV por cada par D+T fusionado.

Los 17,6 MeV (millón de electrón-voltios) no son mucha energía en sí, pero si la comparamos con los 4 eV que genera cada átomo de carbón al quemarse vemos que la fusión es un proceso que genera millones de veces más energía por unidad de masa. Como referencia, la destrucción de cada átomo de uranio en fisión genera 200 MeV, veinte veces más que la fusión D+T, pero usando para ello átomos cien veces más pesados que el hidrógeno. A igual masa, la fusión produce un rendimiento energético mayor que la fisión, sin los peligros y costos de esta última.
En resumen, la fusión pareciera ser una fuente de energía ideal. Sin embargo, para provocarla se requiere quebrar la resistencia electrostática que ejercen entre sí los protones de los núcleos atómicos. Para ello se debe invertir aproximadamente 0,1 MeV por cada par deuterio-tritio, lo cual expresado quiere decir que para alcanzar un proceso de fusión estable se requiere que los elementos de la fusión tengan una temperatura de 100 millones de grados.

Camino a la fusión

En 1905 Einstein enunció su Teoría Especial de la Relatividad, uno de cuyos corolarios fue la famosa ecuación de la equivalencia de la masa y la energía (E=mc2). Esta fórmula dejó en evidencia la enorme cantidad de energía contenida en la materia. Desde entonces los investigadores han buscado formas de liberarla. Pero no fue hasta 1939 cuando Hans Bethe desarrolla la teoría de la fusión nuclear, la cual se aplicaría al desarrollo de armas termonucleares, o de fusión. Este esfuerzo culmina en 1952 cuando Estados Unidos lanza la primera bomba de hidrógeno.

En aquella época los reactores de fisión estaban en pleno desarrollo y parecía evidente que los reactores de fusión serían una realidad en el futuro cercano. Sin embargo un reactor de fusión nuclear es más complejo que uno convencional, pues se requiere el manejo de la materia en condiciones extremas, de ahí que fueran necesarias muchas décadas para conseguir los primeros resultados.

En 1950 los soviéticos Igor Tamm y Andrei Sakharov desarrollan el concepto de Tokamak, una rosquilla magnética que sirve para retener el plasma de los elementos a fisionar. El plasma (gas con núcleos y electrones inestables) circula por el anillo calentado por una fuerte corriente eléctrica, permaneciendo confinado gracias a los campos magnéticos del contenedor. La corriente eleva la temperatura del plasma por sobre los cien millones de grados, donde se alcanza la fusión.

Desde el trabajo fundacional de Tamm y Sakharov la investigación se ha centrado en mejorar las técnicas de confinamiento de los plasmas y las maneras de estabilizar el proceso. En la actualidad se han logrado los siguientes hitos:

Un record de 500 millones de grados en períodos breves.
10 MW de potencia, generada de manera experimental en Princeton en 1994, el cual fue superado por el JT-60 de Japón, que tiene el récord de 50 MW en la actualidad.

En el presente el problema que persiste es conseguir que las reacciones de fusión nuclear sean estables y duraderas. Se habla de alcanzar la “ignición”. Vale decir, de que el proceso genere más energía de la que consume y que funcione durante largos períodos de tiempo. Luego que eso se consiga deberá mejorarse el proceso para hacerlos económicamente rentable.
La investigación con tokamaks sigue adelante y nuevas máquinas se construirán sin duda. En el presente los ojos están puestos en el proyecto ITER, que pretende construir un tokamak mucho más grande y que demuestre que la fusión nuclear es práctica.

Por otra parte en las últimas décadas ha surgido una alternativa al tokamak denominada “fusión inercial”. Esta consiste en calentar con pulsos láser minúsculas cápsulas que contienen los elementos a fusionar. En la actualidad se está construyendo en Estados Unidos la National Ignition Facility, una planta experimental de fusión que constará de 192 lásers de alto poder, los que administrarán 500 trillones de watts a las cápsulas de combustible y las comprimirán hasta 1000 gramos por centímetro cúbico, en un proceso de fusión estable y controlada. Se espera que esté construida en 2010.

En conclusión, el camino de la fusión ha tomado varias décadas, con esfuerzos sistemáticos que parten en la década de los ’50. En este momento la estabilidad del proceso está al alcance, pero es probable que tome unas tres décadas más para desarrollar reactores de fusión prácticos y económicos. Reactores que puedan comenzar a utilizarse en la producción comercial de energía.

Contaminación

Contrariamente a lo que se piensa generalmente, el proceso deuterio-tritio (D+T) no es totalmente limpio, pues genera una cierta cantidad de radiación residual. Sin embargo, la cantidad de radiación producida es ínfima si se la compara con la que generan las centrales de fisión. Además, el tipo de materiales radiactivos que genera tienen una vida media mucho mas corta, de alrededor de diez años. A modo de comparación, los materiales de fisión producen materiales radiactivos que tienen vidas medias de milenios. Con cuidado se puede lograr que la fusión produzca un impacto ambiental infinitesimal. Es más, existen procesos de fusión diferentes al D+T que producen cero radioactividad, pero todavía que no han sido desarrollados.

Cuando sea realidad

Entre unos 30 a 50 años en el futuro, cuando el mundo disponga de fusión en gran escala, el panorama de la energía mundial cambiará radicalmente. La fusión nuclear se usará para generar energía eléctrica en forma masiva y segura, permitiendo la eliminación de las plantas de fisión nuclear y las termoeléctricas, y hará innecesaria la la construcción de nuevas plantes hidroeléctricas.

Ahora bien, la disponibilidad de grandes cantidades de energía permitirá generar combustibles sintéticos. En particular, se usará para obtener hidrógeno del agua de mar en grandes cantidades. Este gas se usará para reemplazar a los combustibles fósiles en calefacción y en la propulsión de automóviles, aviones y barcos. Además, el sueño de la desalinización masiva de aguas de mar se realizará usando plantas de fusión nuclear. Todo lo cual cambiará el aspecto de las zonas desérticas del planeta.

En resumen, la fusión nuclear solucionará los problemas energéticos de una humanidad y un mundo que sufren por la contaminación de las fuentes actuales de energía.

Más a futuro

Pero existe otra seria de beneficios que permitirán que la humanidad salga de su estancamiento relativo de la actualidad. He aquí una lista de los posibles beneficios a largo plazo de esta fuente de energía:

Posibilitará el incremento del uso de energía per cápita. Es probable que el hombre de siglos futuros use hasta diez o más veces la energía por habitante que consumimos actualmente. Esto significará un aumento significativo en el nivel de vida de la sociedad y permitirá que las personas dispongan de bienes y servicios más abundantes y de mejor calidad.

Permitirá el desarrollo de nuevas formas de transporte. Es posible imaginar barcos, submarinos, aviones hipersónicos y naves espaciales propulsados por fusión nuclear, con rendimientos mucho mayores que los vehículos actuales, y sin el peligro de los reactores nucleares de fisión.

Con el tiempo, si se consigue miniaturizar las plantas de energía, es posible que sean el motor de vehículos pequeños tales como automóviles y camiones. Incluso podrían hacer factible el viejo sueño del auto volador práctico.

El viaje a las estrellas es posible mediante el uso de reactores de fusión especiales. En el proyecto Dédalo, de la Sociedad Planetaria, se propone la creación de una nave espacial propulsada por fusión nuclear que tendría como objetivo alcanzar la estrella de Bernard, distante 5,9 años luz, en un plazo de 50 años. Para ello se usaría un motor “cohete” en cuya cámara se fusionarían pequeñas cápsulas de combustible, generando plasma que sería expelido por las toberas. Se trata de un sistema factible para mandar sondas a las estrellas.

Ideas para historias de ciencia-ficción: Fusión y sociedad

Es momento de pensar en el impacto que tendrá la fusión en la sociedad. De cumplir su promesa de ser una fuente de energía segura y relativamente económica podemos esperar que el mundo se llene de reactores de fusión, produciéndose los siguientes efectos:

Al aumentar la oferta de energía, el precio de la misma disminuirá. La energía estará disponible a un costo relativamente bajo tanto a nivel industrial como personal. Esto, unido al estancamiento demográfico que se prevé a partir del 2050, provocará un renacimiento global a gran escala. La gente común de todos los continentes gozará de un nivel de vida muy superior al actual, en un salto aún mayor que el existente entre el hombre actual y el de la época anterior a la revolución industrial.

Procesos industriales, tales como los químicos, metalúrgicos y la manufactura, serán más simples, y sus costos serán más bajos, pues dispondrán de energía más abundante y barata.

La desalinización masiva de las aguas de mar reverdecerá los desiertos. Estos será factible por la caída del costo de la energía eléctrica que producirá la fusión.

Los aviones hipersónicos (velocidades de Mach 10 y más) serán comunes, achicando el mundo una vez más. Muchos de ellos portarán reactores de fusión en sus motores.

Transbordadores espaciales de gran capacidad, capaces de llevar a órbita a cientos de pasajeros, se convertirán en realidad gracias a propulsores de fusión. Se quebrará la barrera del espacio, permitiendo llevar grandes cantidades de materiales y personas desde y hacia órbita.

Los autos voladores serán factibles, gracias a la disponibilidad de hidrógeno abundante que será usado como combustible. Más a futuro es probable que se usen plantas de fusión directamente en los vehículos pequeños.

Los viajes interestelares serán factibles, gracias a reactores de plasma, basados en la fusión inercial.

Será inevitable un reverdecimiento del mundo, pues las tecnologías energéticas del futuro estarán basadas en fusión para la generación, en el hidrógeno para uso en vehículos pequeños, y en la electricidad para la distribución energética, todas las cuales son energías limpias.

Estos son algunos de los avances que producirá la tecnología de la fusión nuclear. Sin embargo el impacto que producirán en la sociedad puede exceder con creces los meros cambios técnicos. La disponibilidad de energía prácticamente ilimitada cambiará el mundo. Ahora sólo falta la imaginación del escritor de ciencia-ficción para que podamos visualizar las consecuencias.

por Omar Vega

Referencias

Fusión:
http://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_power

Laboratorio de física de plasmas de Princeton:
http://www.pppl.gov/projects/pages/tftr.html

National Ignition Facility
http://www.llnl.gov/nif/

Proyecto Dedalo:
http://www.daviddarling.info/encyclopedia/D/Daedalus.html

One thought on “Energía Nuclear II: Fusión Nuclear”

  1. Quisiera felicitar a la persona que ha escrito el articulo, me ha resultado interesantísimo muy bien documentado y me ha aclarado muchas dudas sobre el tema. Gracias.

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