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Para saber más

• La fusión y el panorama energético
• Las reacciones de fusión y los plasmas
• Reactores de fusión: Tokamaks y Setellarators
• La fusión y la Ciencia de los Materiales
• Reactores de fusión: el ITER

La fusión y el panorama energético

El actual modelo energético en que se basa el consumo de la humanidad presenta severos problemas tanto desde el punto de vista ambiental como social. La principal fuente de energía son los combustibles fósiles, petróleo y sus derivados -gas y carbón-, que suponen aproximadamente un 75% del total del consumo. La energía nuclear viene a suministrar un 6,5% de la energía primaria y las renovables, en forma de biomasa y de gran hidráulica, terminan de completar el panorama, con algo menos del 20%.

Desde el punto de vista ambiental, este modelo presenta el problema de la generación de afecciones ambientales de todo tipo. El consumo de combustibles fósiles da lugar, entre otros impactos y de forma sobresaliente, a la aparición del cambio climático, mientras que la energía nuclear conlleva la generación de residuos radiactivos, entre otros problemas. Desde el punto de vista social, el principal problema es la desigualdad tanto en el consumo como en la distribución en el mundo.

Hay que tener en cuenta que los combustibles fósiles están abocados a agotarse a medio plazo, por tanto, es una prioridad buscar nuevas fuentes de energía que tengan bajo impacto ambiental y que garanticen el suministro durante un tiempo largo. Las fuentes renovables están llamadas a jugar un papel decisivo y habrán de ser complementadas por otras, como la fusión termonuclear.

La fusión presenta la ventaja de que, por un lado, no genera emisiones de gases de invernadero y, por otro, su combustible es prácticamente inagotable. Como principal impacto ambiental hay que considerar la generación de residuos radiactivos de media y baja actividad. Sin embargo, dado el papel que la fusión puede jugar en el futuro, este problema sería admisible por la sociedad, sobre todo teniendo en cuenta que estos residuos serían radiactivos sólo durante unos cien años.

Por otra parte, la fusión no es una reacción en cadena, por lo que en los reactores de fusión sería imposible que se produjera un accidente como el ocurrido en 1986 en Chernobil. La cantidad de combustible en el interior del reactor es muy pequeña, por lo que en el caso del accidente más grave la radiactividad liberada sería también pequeña y no sería preciso evacuar a la población circundante. Finalmente, la reacción podría detenerse instantáneamente, en cuanto el reactor se saliera de los parámetros de funcionamiento. Sin embargo, el inconveniente de la fusión es su gran complejidad técnica que hace que todavía no esté disponible comercialmente.

Imagen: Eduardo Peiro

Las reacciones de fusión y los plasmas

La energía de fusión procede de ciertas reacciones nucleares en las que se unen núcleos ligeros para dar núcleos más pesados. La forma de conseguir que los núcleos choquen entre sí, a pesar de repelerse por tener cargas positivas, es comunicarles suficiente energía de movimiento. Ésta tiene que ser parecida a la que tienen las partículas en el interior de las estrellas, que funcionan también mediante reacciones de fusión. Estamos hablando, pues, de temperaturas de cientos de millones de grados, que son necesarias para que las partículas colisionen con suficiente ímpetu para vencer la repulsión de las cargas positivas. Por lo tanto, hay que invertir energía para conseguir que los núcleos alcancen las condiciones necesarias para que se fusionen y desprendan mucha mayor cantidad de energía que la suministrada.

Los plasmas tienen propiedades distintas de las de otros estados de la materia (sólido, líquido y gaseoso). Lógicamente, no existe ningún material que resista tan altas temperaturas y hay que buscar estrategias para confinar el plasma y así salvar este problema. La estrategia más avanzada, en la que se va a basar el ITER, es el llamado confinamiento magnético, es decir, la creación de una botella de campos magnéticos que mantenga el plasma separado de la pared de la vasija. Los campos magnéticos actúan sobre las partículas cargadas integrantes del plasma (iones y electrones) y las mantienen confinadas.

En los plasmas, al igual que en el resto de fluidos (gases y líquidos), se producen numerosas inestabilidades que dan lugar a fenómenos de transporte de materia y energía más o menos violentos. Los plasmas son sustancias esquivas, en las que los cambios se propagan rápidamente, a la velocidad de la luz, y así, en algunos casos se producen inestabilidades que se propagan a todo el plasma de forma casi instantánea. Además son buenos conductores de la electricidad y del calor, lo que hace que la energía que se les comunica tienda a escaparse fácilmente.

La Física del Plasma se ha ocupado desde hace cuatro décadas, de forma no secreta, de todos estos problemas, lo que ha permitido grandes avances tanto mediante experimentos como con simulaciones teóricas. Los experimentos son claves en esta disciplina, porque las actividades de teoría y simulación aún no alcanzan a representar cabalmente todos los fenómenos que ocurren en el plasma. Sin embargo hay que tener en cuenta que muchas de las ecuaciones que rigen el comportamiento de los plasmas hay que resolverlas mediante ordenadores y sólo recientemente existen ordenadores lo bastante potentes como para ser capaces de obtener resultados que abarquen los fenómenos que ocurren en el plasma. En particular, tenemos que tratar con simulaciones de fenómenos turbulentos en presencia de campos magnéticos, o con el seguimiento de millones de partículas individuales en una estructura complicada de campos electromagnéticos.

En la imagen: EL Tokamak es un descubrimiento ruso, que proviene de Toroidalnaya Kamera-ee Magnitnaya Katushka (en inglés la traducción literal es Toroidal Chamber o Magnetic Coil).

Reactores de fusión: Tokamaks y Setellarators

Tras décadas de experimentos se ha llegado a la conclusión de que el campo confinante de los plasmas más eficaz debe tener una componente helicoidal. No en vano, las vasijas magnéticas más prometedoras con vistas a la construcción de un reactor son el Tokamak y el Stellarator, en los que el campo magnético posee la citada componente helicoidal.

La diferencia principal entre los Tokamaks y los Stellarators es que por los primeros circula una corriente muy intensa a través del plasma, mientras que por los segundos no circula o, si lo hace, la corriente es muy débil.

Un Tokamak es un dispositivo de confinamiento magnético con forma de rosquilla en el que el campo magnético es creado en parte por un conjunto de bobinas magnéticas planas en forma de D y también circulares y en parte por la propia corriente que circula por el plasma. Así se crea un campo magnético con una cierta componente helicoidal, imprescindible para confinar el plasma. Esta misma corriente es capaz de calentar el plasma hasta elevadas temperaturas por la resistencia que opone el propio plasma. Como se ha dicho, el plasma es un buen conductor de la electricidad, por lo que la resistencia será débil y las temperaturas que se pueden alcanzar están limitadas.

Dado que a través de un Stellarator no circula corriente, o bien que ésta es muy débil, todo el campo magnético se crea mediante bobinas externas. En los Stellarators las bobinas son mucho más complicadas que en los Tokamaks, puesto que la parte helicoidal del campo magnético hay que crearla toda ella por medios externos. En particular, en los modernos Stellarators, las bobinas son alabeadas, lo que añade dificultades para su diseño y construcción.

La corriente que circula por el plasma de los Tokamaks es ventajosa, en el sentido de que nos ahorra parte del campo magnético y de la potencia auxiliar de calentamiento.

Aún así, las inestabilidades que aparecen en los plasmas se extienden rápidamente a todo el volumen del Tokamak, lo que motiva que la corriente cambie, provocando que el campo magnético se modifique, lo que a su vez provoca que el confinamiento empeore y así se va repitiendo el ciclo. A este proceso se le llama disrupción y, afortunadamente, se puede predecir bastante bien cuando va a producirse.

Los Stellarators, por otra parte, están libres de estos problemas: no pueden sufrir disrupciones y permiten un funcionamiento continuo.

En la imagen: Tokamak. El Ingeniero del Lawrence Livermore National Laboratory de California (a la derecha) y un ingeniero japonés visitante, examinan el material superconductor para la realización de pruebas.

La fusión y la Ciencia de los Materiales

Además del conocimiento de los plasmas y de sus propiedades de confinamiento, se hace imprescindible el desarrollo de la Ciencia de los Materiales, clave en los futuros reactores de fusión, puesto que dichos materiales han de soportar condiciones extremas de radiactividad y de flujo de calor.

Especialmente resistentes han de ser la pared de la vasija donde está contenido el plasma y un elemento conocido como "divertor", situado en el punto donde mayor será el flujo de potencia que se escapa del plasma. El divertor es un elemento de la vasija del reactor donde se concentra la mayor parte del flujo de calor y partículas del plasma que se escapa del campo magnético confinante, para lo que se diseñan unas bobinas de campo magnético apropiadas. Los materiales que componen estos elementos han de ser muy resistentes y tener un nivel de activación bajo, es decir, han de soportar bien el baño de neutrones sin que se produzcan productos radiactivos que tarden más de 100 años en convertirse en inocuos.

También hay que garantizar que los metales que se empleen sean capaces de liberar el tritio capturado (los isótopos del hidrógeno se almacenan fácilmente en grandes cantidades en las superficies metálicas) con tratamientos apropiados.

Todos estos problemas planteados hacen que, además de la Física del Plasma, la Ciencia de los Materiales sea clave para conseguir que un reactor de fusión funcione apropiadamente. Con este fin se están desarrollando simulaciones muy ambiciosas en superordenadores y se está diseñando una instalación donde los materiales estarán sometidos a condiciones similares a las que se darán en el ITER.

Reactores de fusión: el ITER

El ITER (Internacional Tokamak Experimental Reactor) es el futuro experimento de fusión termonuclear por confinamiento magnético. Será de tipo Tokamak, a pesar de los inconvenientes citados anteriormente, porque estos dispositivos están más avanzados que los Stellarators y consiguen mejores parámetros del plasma. Su construcción ha empezado ya en Cadarache, una pequeña localidad en el sur de Francia.

El ITER es un gran experimento en el que participarán siete socios: la Unión Europea, Japón, Rusia, China, Estados Unidos, Corea del Sur e India. De todos ellos, el más fuerte en cuanto a aportación científica y económica es la Unión Europea.

El ITER pretende demostrar la viabilidad científica y tecnológica de la Fusión. Se pretende que el cociente entre la potencia producida y la inyectada, que se llama Q en el argot de los científicos de fusión, sea de un valor igual a 10, lo cual demostraría también la rentabilidad de la fusión.

En su actual diseño, ITER no producirá electricidad de forma comercial, pero permitirá ensayar los sistemas que lo harán en el futuro, a la vez que permitirá probar diversos diseños de una pieza muy importante que está fuera de la vasija: el llamado manto fértil, donde se deposita la energía de los neutrones, cuyas colisiones con el litio permiten fabricar el tritio que no existe en la naturaleza en la Tierra. Además, se probarán los tres principales sistemas de calentamiento que serán de utilidad en reactores comerciales, algunos de los cuales son muy novedosos y todavía requieren de posteriores desarrollos.

Se probarán nuevos sistemas de control, de adquisición y almacenamiento de datos, de superordenadores que permitan simular los plasmas del ITER, de sistemas de manipulación remota para evitar que las personas entren en zonas agresivas tanto desde el punto de vista químico como radiactivo...

En España, los trabajos en Fusión radican en el grupo del Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT, que ha puesto en marcha el Stellarator TJ-II, y que está participando en numerosas tareas particulares para construir ITER. A pesar de que éste es un Tokamak, existen numerosos aspectos de la física del plasma comunes para Tokawaks y Stellarators, de tal forma que la experiencia adquirida en el TJ-II es válida para ITER. En particular, se realizan estudios del transporte turbulento y de la acción de los campos eléctricos sobre el plasma, así como de los efectos sobre el confinamiento de diferentes topologías magnéticas, todos ellos de utilidad para el ITER. Igualmente, se realizan estudios de materiales y de la interacción entre el plasma y la pared, de utilidad para los futuros reactores de fusión.

Los resultados científicos y tecnológicos del ITER serán la clave para demostrar la viabilidad de la fusión como una alternativa energética para el siglo XXI. Es difícil precisar el horizonte temporal en que la fusión esté disponible, pero, de acuerdo con estas estimaciones, es complicado que esté disponible un reactor comercial de demostración antes del año 2.035.

En la imagen: fabricación de uno de los componentes del ITER.