Fusión nuclear: qué es y cómo puede ayudar al planeta

Europa ha encarado el ITER, un importantísimo y mastodóntico reactor ubicado en el sur de Francia que promete revolucionar la generación de energía mundial. Todos los detalles.

Por Michael Greshko
Publicado 25 ago 2022 09:57 GMT-3
Tim Luce, científico jefe del ITER

Tim Luce, científico jefe del ITER, el gigantesco reactor de fusión experimental que se está construyendo en el sur de Francia, se encuentra en la fosa que albergará el "tokamak" con forma de donut, en el que los núcleos de hidrógeno se calentarán a cientos de millones de grados y se fusionarán en helio.

Fotografía de Paolo Verzone National Geographic

Durante siete años, Bernard Bigot supervisó la construcción de un edificio tan ambicioso y desafiante (y de tanta importancia para la humanidad) que a veces lo consideraba una catedral.

Se levanta en un terreno de 1.8 kilómetros cuadrados en el sur de Francia, a una hora al norte de Marsella, y es un edificio muy extraño. No hay muchos edificios que alberguen cámaras de vacío cavernosas o que requieran una precisión submilimétrica durante su construcción. Menos aún, edificios que incluyan un imán de 18 metros de altura tan potente como para levantar un portaaviones, o suficiente cable de niobio-estaño superconductor para dar dos vueltas al ecuador.

El proyecto supervisado por Bigot, llamado Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER, por sus siglas en inglés), es sin duda el experimento científico más grande, más complejo y, con un costo de más de 20 000 millones de dólares, más caro jamás concebido. El consorcio de 35 países que financia el ITER y construye sus componentes representa más de la mitad de la población mundial y el 85% del PIB global. Estados Unidos, Rusia, China y la Unión Europea son miembros.

Algunos de los componentes del ITER son tan voluminosos que Francia ha tenido que ensanchar o reforzar 102 kilómetros de carreteras y puentes para llevarlos a la obra de Saint-Paul-lez-Durance. Cuando el reactor esté terminado, no antes de 2025 (por ahora se ha completado casi un 75% del proyecto), habrán pasado 40 años de negociaciones, trabajo de diseño y construcción para llegar hasta ese hito.

Fusión nuclear: qué es y cómo se genera

Todo el esfuerzo anteriormente mencionado está a merced de un objetivo audaz y un sueño de medio siglo: generar energía aprovechando la fusión nuclear, la fuente de energía de las estrellas. La fusión, si alguna vez se puede domesticar, promete una energía abundante sin humos ni emisiones de carbono que calcinen el planeta, sin fusiones de reactores ni residuos radiactivos de larga duración: energía a demanda las 24 horas del día, con agua de mar como fuente de combustible definitiva.

Pero hacer realidad este sueño es una pesadilla de la ingeniería.

En la Tierra, para conseguir que los núcleos de hidrógeno se fusionen en helio es necesario crear y confinar un "plasma" (un gas cargado eléctricamente, en el que los electrones ya no están unidos a los núcleos atómicos) a temperaturas varias veces superiores a las del interior del sol. Los científicos aprendieron hace tiempo a desencadenar el proceso de forma explosiva dentro de las bombas de hidrógeno, y los reactores de fusión actuales pueden hacerlo de forma controlada durante instantes fugaces. Pero ningún reactor ha inyectado nunca energía neta en la red eléctrica.

Tampoco lo hará el ITER: por inmenso que sea, solo es un experimento diseñado para que los científicos den un paso gigante hacia ese grial. El objetivo del ITER es simplemente superar el "punto de equilibrio científico", es decir, el umbral en el que un reactor libera tanta energía a través de la fusión como la que utiliza para calentar el plasma.

El foso del tokamak tiene 30 metros de ancho por 30 metros de alto. Diseñado para demostrar la viabilidad científica y tecnológica de la energía de fusión, el ITER será el mayor experimento del mundo de este tipo una vez que esté en funcionamiento, probablemente a finales de la década de 2020.

Fotografía de Paolo Verzone National Geographic

¿La fusión nuclear puede reducir las emisiones de carbono hacia 2030?

En la línea de tiempo más optimista, un prototipo de central de fusión no estará listo hasta principios de la década de 2030. Esto significa que la fusión no puede eximirnos de la necesidad de actuar ahora para reducir las emisiones de carbono. Según el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC), el mundo necesita reducir las emisiones anuales de CO2 a la mitad en las próximas dos décadas para evitar un peligroso calentamiento de más de dos grados centígrados. Con una energía solar y eólica barata y fácilmente disponible, el mundo puede reducir las emisiones ampliando el uso de las tecnologías existentes.

"Necesitamos que la generación de electricidad esté ampliamente descarbonizada para 2035", afirma en un correo electrónico Nick Eyre, profesor de política energética y climática de la Universidad de Oxford (Reino Unido). "La fusión no puede aportar nada en estos plazos".

Aprovechar la fusión nuclear es una de las cosas más difíciles que la humanidad ha intentado jamás, y la elusividad de la tecnología la ha convertido durante mucho tiempo en el blanco de una broma: durante más de medio siglo, la energía de fusión siempre ha estado "a 30 años de distancia". Pero esa amarga broma podría, finalmente, dejar de tener gracia.

El ITER no es la única razón: en laboratorios de todo el mundo, los investigadores han ido superando los numerosos retos técnicos que se presentan en el camino hacia un reactor de fusión viable. Mientras tanto, según la Asociación de la Industria de la Fusión, inversores privados han invertido más de 1800 millones de dólares en empresas de fusión para poner en marcha la esquiva fuente de energía.

La "broma tenía su verdad", cuenta Josefine Proll, teórica de la fusión en la Universidad Tecnológica de Eindhoven (Países Bajos), pero "ya no. Creo que vamos por buen camino".

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Si bien es un camino largo, sin garantías de que se alcance el objetivo de una energía de fusión fiable, los investigadores de la fusión están acostumbrados a ello. Bigot, que se convirtió en director general del ITER en 2015 y falleció en mayo a los 72 años, siempre fue más allá del horizonte. Químico de formación, veía el ITER como los arquitectos medievales veían sus catedrales: un proyecto para la eternidad, en el que los que ponen los cimientos pueden no vivir para ver las agujas.

"Creo que con toda honestidad y humildad nos hemos embarcado en un reto así", dijo en una entrevista en marzo con National Geographic. "El beneficio para la humanidad podría ser tan grande que realmente merece la pena intentarlo".

Diferentes entre fusión y fisión nuclear

Una central de fusión sería fundamentalmente diferente de las centrales nucleares actuales. Éstas se basan en la fisión nuclear, que libera energía cuando átomos grandes y pesados (como el uranio) se rompen debido a la desintegración radiactiva.

En cambio, en un reactor de fusión, los átomos pequeños y ligeros, como el hidrógeno, se fusionan con otros más grandes, lo que libera una pequeña parte de su masa en forma de energía, de acuerdo con la emblemática ecuación de Einstein E = mc2. Esta ecuación reveló que una enorme cantidad de energía está ligada incluso a pequeñas cantidades de materia.

El ITER es el último de una larga serie de experimentos de fusión. Lleva décadas en proyecto y se construye desde 2013 en Saint-Paul-lez-Durance, a una hora al norte de Marsella.

Fotografía de Paolo Verzone National Geographic

Cómo funciona el ITER

En el caso del ITER, el reactor comenzará con un combustible de deuterio y tritio, dos formas más pesadas de hidrógeno. A altas temperaturas, los pares de núcleos de estos átomos chocarán entre sí con la suficiente fuerza como para fusionarse. Cada evento de fusión creará un núcleo de helio-4 así como un neutrón de alta energía. Muchos de estos neutrones bombardearán las paredes del reactor, generando un calor que algún día podría utilizarse para hervir agua, producir vapor y hacer girar las turbinas para generar energía eléctrica.

Para evitar que este plasma caliente se enfríe, se suspenderá en el centro de una cámara de vacío con forma de rosquilla mediante una serie de potentes electroimanes. La electricidad necesaria para suspender el plasma significa que cada una de las bobinas del ITER debe ser enfriada con helio líquido, que está a una temperatura de menos 268 grados Celsius que rompe los huesos.

Cuánto calor genera la fusión nuclear 

Los núcleos atómicos están cargados positivamente, por lo que se repelen fuertemente. En los núcleos de las estrellas, la inmensa presión los acerca lo suficiente como para fusionarse, pero esas presiones no se pueden alcanzar en la Tierra. Los científicos deben compensar la menor presión con un calor extremo: el plasma del ITER deberá alcanzar temperaturas de 132 millones de grados Celsius, 10 veces más calientes que el núcleo de nuestro sol.

Alcanzar estas condiciones, por no hablar de mantenerlas, ha sido una búsqueda que ha durado décadas. Durante años, los experimentos de fusión han establecido récords puntuales de temperatura y densidad del plasma o de duración del confinamiento, pero no todos a la vez.

"En el pasado, obtuvimos resultados muy buenos... (pero) los resultados que obtuvimos en los laboratorios individuales fueron, en cierto modo, independientes", explica Ambrogio Fasoli, presidente de la colaboración europea EUROFusion y director del Centro Suizo de Plasma de Lausana.

Hasta la fecha, ningún tokamak (el reactor en forma de rosquilla del ITER) ha alcanzado nunca las condiciones adecuadas para lograr el punto de equilibrio científico, en el que la energía extraída es igual a la necesaria para calentar el plasma, y la relación entre ambas, conocida como Q, es igual a 1. Lo mejor que se ha conseguido con un tokamak fue un valor Q de 0,67, brevemente, en 1997.

Y el punto de equilibrio científico es solo un paso. El "punto de equilibrio", en el que el reactor libera más energía a través de la fusión de la que extrae de la red (el objetivo final) es mucho más difícil, en parte porque los reactores de fusión requieren grandes cantidades de energía para mantenerse en funcionamiento, incluso más allá de la energía necesaria para calentar el plasma. No obstante, el punto de equilibrio científico se ha consolidado como un potente símbolo del progreso de la fusión o, como dice Fasoli, como "un paso psicológico" a superar.

Izquierda: Arriba:

La construcción del ITER es un trabajo global: Europa aporta casi la mitad de los costes de su construcción, mientras que los otros seis miembros de la empresa internacional (China, India, Japón, Corea del Sur, Rusia y Estados Unidos) contribuyen a partes iguales al resto. Este panel es una de las nueve secciones de la vasija de vacío del ITER, recién enviada a Francia desde Corea del Sur.

Derecha: Abajo:

La coordinadora de la construcción, Lola Zedet, delante de uno de los nueve sectores de buques de vacío que acaban de llegar de Corea del Sur.

FOTOGRAFÍAS DE Paolo Verzone National Geographic

Cuánto tiempo de trabajo lleva el proyecto de fusión nuclear ITER

El ITER está diseñado para superar el punto de equilibrio científico y alcanzar valores Q de al menos 10. A esas energías, el plasma empezará a "arder", es decir, a producir gran parte del calor necesario para mantener la fusión.

Esta hoguera ha tardado más de lo previsto en encenderse. Desde la década de 1950, los investigadores han construido una serie de reactores de fusión experimentales más grandes y potentes, muchos de ellos basados en el tokamak, desarrollado originalmente por la Unión Soviética. 

Al final de la Guerra Fría, una cumbre de 1985 entre Ronald Reagan y Mijail Gorbachov abrió la puerta diplomática, y Estados Unidos y la URSS acordaron colaborar en la construcción de un tokamak lo suficientemente grande como para alcanzar la rentabilidad científica. A finales de la década de 1980, Japón y Euratom, la organización europea de investigación nuclear, también se apuntaron, y los científicos e ingenieros empezaron a redactar los diseños del ITER, un acrónimo que también significa "el camino" en latín.

Al igual que muchos grandes proyectos de ingeniería, el ITER se ha enfrentado a años de retrasos, costes desorbitados y, en ocasiones, una mala gestión, según una evaluación condenatoria de 2013. Sin embargo, desde la llegada de Bigot en 2015, el ITER se ha puesto en marcha. Ahora está terminado en más de tres cuartas partes. En abril, Corea del Sur entregó un sector de 485 toneladas de la vasija de vacío del ITER; la instalación de su electroimán central de 18 metros de altura, procedente de Estados Unidos, comenzará no antes de finales del próximo año.

Las pruebas críticas realizadas en reactores más pequeños han validado las principales líneas del diseño del ITER. En 2021, el Joint European Torus (JET) de Culham (Inglaterra) estableció un récord de energía total liberada por el plasma de un reactor de fusión: 59 megajulios en una prueba de cinco segundos. Es menos energía que la que consume en electricidad un cliente medio en Estados Unidos en un minuto, pero el JET trabajó con el mismo combustible de deuterio-tritio que alimentará el ITER y con los mismos materiales para el revestimiento interior de la vasija del reactor. Se espera que cada vez que se ponga en marcha, el ITER genere miles de veces más energía que el JET.

"Al principio, el ITER no era algo de lo que se pudiera estar totalmente orgulloso, porque empezaba muy, muy lentamente... y la parte de la construcción estuvo inactiva durante bastante tiempo al principio", precisa Fasoli. "Ahora está casi terminada, y puedes verla. Es una de las cosas más sorprendentes que está haciendo la humanidad, uno de los proyectos más ambiciosos que hemos emprendido".

En el interior de la sala de montaje del ITER, dos sectores de la vasija de vacío, más los escudos térmicos y los imanes gigantes del campo toroidal han sido montados en las dos grúas de submontaje, con el paquete en primer plano preparado para ser trasladado al foso del tokamak.

Fotografía de Paolo Verzone National Geographic

Desafíos de la fusión

Si el ITER funciona sin problemas, la humanidad aún necesitará una nueva generación de reactores de prueba para llegar a la tierra prometida de una central eléctrica viable, que según Fasoli tendría que alcanzar valores Q de al menos 30.

Pero el ITER no es la única opción: los laboratorios de investigación financiados con fondos públicos y empresas privadas de todo el mundo están probando diferentes técnicas, a veces a velocidades mucho más rápidas que el ITER. "Creo que con estas nuevas empresas es posible hacer mucho más", afirma Proll, el teórico de Eindhoven.

Commonwealth Fusion Systems, una filial del MIT en Cambridge (Massachusetts; Estados Unidos), está diseñando un tokamak con imanes de materiales más nuevos que los del ITER. Estos imanes más potentes deberían permitir alcanzar valores Q similares a los del ITER con un reactor más pequeño. El año pasado, la empresa anunció que había probado con éxito su diseño de imán, y está previsto que un reactor experimental apodado SPARC entre en funcionamiento en 2025.

Otros equipos están perfeccionando diseños de reactores totalmente diferentes. En la National Ignition Facility (NIF) de Livermore (California; Estados Unidos), conjuntos de potentes rayos láser que convergen en una pequeña pastilla calientan y comprimen el hidrógeno de su interior hasta tal punto que se produce la fusión. En 2014, los investigadores de la NIF afirmaron que habían alcanzado una versión del punto de equilibrio con esta técnica, llamada confinamiento inercial, pero otros han señalado que la definición de "punto de equilibrio" del estudio de 2014 era demasiado estrecha. En cualquier caso, para ser una fuente de energía viable, el estilo de reactor del NIF tendría que superar valores Q de al menos 100, y aún está muy lejos de hacerlo.

Algunas empresas exploran distintos combustibles y diseños. La empresa californiana TAE Technologies, que lleva funcionando desde 1998, está construyendo un reactor nuclear diseñado para fusionar hidrógeno con boro-11 mediante la colisión de "anillos de humo" de plasma dentro de una larga cámara con forma de cigarro. Esta configuración tendría que alcanzar temperaturas aún más altas que las de los tokamaks. Pero si las versiones a escala funcionan, podrían generar electricidad, sin el bombardeo de neutrones, que se estrellará contra las paredes del ITER.

Aprovechar la energía de esos neutrones para producir electricidad, como pretenden el ITER y la mayoría de los reactores de fusión, es todo un reto. Incluso los materiales más resistentes al calor utilizados para revestir las vasijas del reactor, como el titanio y el berilio, se vuelven radiactivos y cada vez más débiles y frágiles bajo el incesante golpeteo de los neutrones. En el JET el reactor se mantiene con un par de robots operados a distancia que, entre otras cosas, sustituyen las baldosas interiores del reactor.

El futuro de la fusión nuclear

Si la fusión se convierte en una fuente de energía económicamente viable, necesitaremos un plan para utilizarla.

En prácticamente cualquier escenario de reducción rápida de emisiones, la energía eólica y la solar tendrían que generar la mayor parte de la energía de Estados Unidos en 2050. Pero algunos sectores de la economía serán difíciles de descarbonizar, como la industria del acero, que requiere grandes cantidades de calor constante. Si la fusión funcionara, podría ayudar a proporcionar grandes cantidades de energía fiable a la industria pesada y también a suavizar cualquier variabilidad de la energía eólica y solar, dice Sally Benson, la principal estratega de la Casa Blanca para la transición energética.

Benson añade que, para cumplir los objetivos climáticos de Estados Unidos, muchos procesos que ahora funcionan con combustibles fósiles deben electrificarse, lo que, según las proyecciones, hará que la demanda de energía del país se duplique de 2035 a 2050. Puede que la fusión no esté lista a tiempo para satisfacer este aumento de la demanda, pero podría ayudar en la segunda mitad del siglo.

"Las energías renovables son estupendas. Son baratas, están en todas partes, (y) se pueden conseguir en todas partes. Pero la mayoría de los estudios sugieren que para proporcionar el tipo de fiabilidad 24/7 que requieren se necesitará algún tipo de recurso despachable", enfatiza Benson, refiriéndose a la generación de energía que puede encenderse y apagarse a voluntad, a diferencia de la solar y la eólica.

El carbón, el gas y la energía nuclear proporcionan actualmente esta energía de base. La energía hidráulica y la geotérmica podrían hacerlo en el futuro, pero no están disponibles en todas las regiones, una limitación que teóricamente no tendría la fusión.

"Creo que esto justifica que se intente diversificar el conjunto de opciones para incluir una tecnología como la fusión", añade Benson. "Si funcionara, sería fabuloso". En una cumbre celebrada en abril, la Casa Blanca anunció el lanzamiento de una iniciativa de fusión del Departamento de Energía y la puesta en marcha de oportunidades de financiación por valor de unos 50 millones de dólares para futuras investigaciones sobre la fusión.

¿Es una locura apostar por la fusión, con un rendimiento incierto? Al igual que Bigot, de ITER, Benson ve más allá del horizonte.

"Pensamos a largo plazo, ¿verdad? No es que lleguemos al 2030 o al 2035, o incluso al 2050 y hayamos terminado. El objetivo es tener todo un conjunto nuevo de opciones que nos preparen para el resto del siglo XXI", concluye.

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