Tan solo imaginemos ser capaces de replicar el poder de las estrellas. Lograr una reacción que nos proveería de energía abundante y limpia, que, además, usa como materias primas elementos tan comunes en la Tierra como el litio o el hidrógeno. ¿Surrealista? Pues esta es la premisa de la fusión nuclear, una de las alternativas energéticas más prometedoras del siglo XXI. ¿Es realmente tan fantástica?
¿Qué es la fusión nuclear?
Plasma: es el quinto estado de la materia, en el cual los electrones y núcleos de los átomos se separan, formando una “sopa” de partículas cargadas.
Aquella cálida luz del Sol que nos despierta en las mañanas no es más que el resultado de reacciones que ocurren en lo más profundo de las estrellas: reacciones de fusión nuclear. Para comprenderlas, debemos transportarnos al centro de una estrella. Allí, la inmensa gravedad genera una presión y temperaturas increíblemente altas, lo que significa que los átomos —más precisamente, los núcleos atómicos— están muy agitados, tanto que algunos de ellos chocan entre sí, fusionándose para formar un elemento más pesado. Durante esta fusión se libera energía. Gracias a este proceso, las estrellas son capaces de brillar durante miles de millones de años. (Ver “De donde vienen las estrellas).
Desde el siglo pasado, se ha realizado una continua investigación sobre el uso de la fusión para suplir nuestras necesidades energéticas. Para lograrlo, debemos ser capaces de conseguir condiciones similares al interior de las estrellas, creando un reactor de fusión nuclear.
¿Es segura la fusión nuclear?
Es intuitivo pensar que un reactor de fusión nuclear sería altamente peligroso. ¿Qué ocurriría si el plasma no fuese contenido? Seguramente causaría una catástrofe, ¿no es así? Pues realmente, la realidad es todo lo contrario: el plasma es muchísimo menos denso que el aire que nos rodea. Esto significa que se enfriaría rápidamente al contacto con el aire circundante.
Es importante no confundir fusión nuclear con fisión nuclear, pues la primera genera energía fusionando elementos ligeros (tradicionalmente hidrógeno) en elementos más pesados, mientras que la segunda realiza el proceso contrario: rompe los elementos más pesados (uranio, por ejemplo) en elementos más ligeros.
¿Cómo es posible “crear estrellas” en la Tierra?
En una estrella, la inmensa gravedad propicia las condiciones necesarias para la fusión, mientras que en la Tierra debemos usar algunos “trucos” para facilitar la fusión nuclear. En primer lugar, fusionamos deuterio y tritio, variantes (isótopos) del hidrógeno que son más sencillas de fusionar. En segundo lugar, el plasma se calienta mucho más que en una estrella para hacer posible la fusión.
Para producir energía a través de la fusión nuclear se tienen en cuenta tres variables principales:
- La temperatura: entre más calientes estén las partículas, más rápido chocarán entre sí.
- La densidad del plasma: un plasma más denso significa que las partículas están más cerca, por lo cual su probabilidad de colisionar es más alta.
- El tiempo de confinamiento: entre más tiempo se pueda contener al plasma (que tiende a expandirse), mayor será el tiempo para que ocurran colisiones.
Los distintos diseños de reactores de fusión nuclear suelen enfocarse en una u otra variable para obtener los resultados deseados.
Reactores de Fusión por Confinamiento Magnético
Este tipo de reactores utilizan electroimanes para generar fuertes campos magnéticos y contener el plasma en su interior, impidiendo que toque las paredes del reactor. Sus diseños más populares son el Tokamak y el Stellarator, los cuales contienen el plasma en una cámara en forma de toro (es decir, en forma de rosquilla 🍩). Este tipo de reactores son los más prometedores como fuente de energía, pues cuentan con la mayor investigación a su alrededor, han demostrado gran eficiencia y cuentan con un gran número de grandes proyectos de investigación. Entre estos, el ITER, un proyecto internacional que se encuentra desarrollando el reactor nuclear experimental más grande del mundo.
Reactores por Confinamiento Inercial
A pesar de su nombre, el confinamiento inercial carece de confinamiento en un sentido tradicional. En cambio, se basa en utilizar láseres de alta energía para calentar una pequeña cápsula de combustible (deuterio y tritio) a temperaturas increíblemente altas durante nanosegundos, fusionando el combustible y liberando energía a través de las partículas que saltan disparadas. Uno de los proyectos destacados es la National Ignition Facility, en Estados Unidos.
Startups privadas
Entre el furor por la fusión nuclear, muchas startups han desarrollado sus propios proyectos con enfoques alternativos y arriesgados hacia la fusión nuclear.
Desafíos actuales de la fusión nuclear
La fusión nuclear es una tecnología que aún se encuentra en investigación y desarrollo, y que presenta diversos problemas sin resolver. Aunque suena como una solución casi mágica para nuestros problemas energéticos, el camino hacia un reactor funcional y eficiente no está exento de obstáculos técnicos, científicos y económicos. Estos son algunos de los retos más relevantes que debemos superar para lograr que la fusión nuclear se convierta en una fuente viable de energía para el mundo:
El tritio: un combustible raro y complejo
Uno de los principales desafíos es el uso de tritio como combustible. Este isótopo del hidrógeno es extremadamente raro en la naturaleza y, además, radiactivo, lo que dificulta tanto su obtención como su manejo seguro. Si bien existen propuestas para generarlo dentro del propio reactor utilizando litio, aún se trata de una tecnología en desarrollo.
Confinar el plasma: domar una “sopa” caótica
El plasma, que es el estado de la materia necesario para que ocurra la fusión, debe alcanzar temperaturas superiores a los 100 millones de grados Celsius. A esas temperaturas, cualquier contacto con las paredes del reactor lo destruiría instantáneamente. Por eso, el plasma debe ser contenido usando campos magnéticos extremadamente precisos. Sin embargo, este plasma es muy inestable y tiende a formar torbellinos y fluctuaciones que pueden apagar la reacción, dificultando el confinamiento continuo.
Materiales que sobrevivan al infierno
Las condiciones dentro de un reactor de fusión no solo son extremas en temperatura, sino también en radiación. Las paredes internas del reactor deben ser capaces de resistir impactos constantes de partículas de alta energía sin deteriorarse, corroerse o volverse frágiles. Encontrar materiales capaces de sobrevivir durante años en estas condiciones es un desafío clave de la ingeniería de materiales.
Aprovechar la energía: del calor a la electricidad
Incluso si logramos una reacción de fusión estable, necesitamos convertir la energía liberada —que en principio se manifiesta como calor y partículas— en electricidad útil. Este proceso debe ser altamente eficiente para que la fusión sea competitiva con otras fuentes de energía. Aún estamos perfeccionando los mecanismos para lograr esta conversión sin grandes pérdidas.
A pesar de estos desafíos, el camino recorrido ha sido notable. En los últimos 50 años, la eficiencia de los reactores experimentales se ha incrementado unas 100.000 veces, lo que refleja un avance sostenido y prometedor. Cada obstáculo superado nos acerca un poco más a una fuente de energía limpia, segura y prácticamente ilimitada. Si bien la fusión nuclear aún no es una realidad cotidiana, todo indica que vamos por buen camino.
ITER: una promesa para el mundo
Entre los múltiples proyectos e iniciativas dedicados a la investigación y desarrollo de un reactor de fusión nuclear funcional y viable, hay uno que destaca entre todos: un proyecto que reúne los esfuerzos de múltiples naciones alrededor del mundo en pro de la humanidad, el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).
ITER es un experimento en construcción a gran escala, algo así como un reactor de prueba, que busca permitir probar tecnologías y experimentar en condiciones similares a las que existirían en un reactor nuclear de tamaño comercial. ITER tiene como propósito dar solución a los principales problemas actuales de la fusión nuclear, así como refinar la tecnología necesaria para construir reactores nucleares de un tamaño suficientemente grande para aprovechar su energía.
ITER será un Tokamak, uno que superará con creces el tamaño del JET (Toro Europeo Común), el Tokamak funcional más grande en la actualidad. Este proyecto promete multiplicar la eficiencia de los reactores actuales y alcanzar un punto en el cual el plasma sea capaz de sostener su propia temperatura.
Se espera que el ITER demuestre la viabilidad de los reactores nucleares como una fuente de energía para la humanidad.
¿La energía del futuro? – Las energías verdes
A día de hoy, la búsqueda de alternativas no contaminantes para nuestro suministro de energía se ha convertido en una creciente necesidad. Con el auge de la inteligencia artificial y los centros de datos, cada día se consume más energía que nunca, lo cual, sumado a las consecuencias del cambio climático, genera la urgencia de una transición hacia energías verdes. No se espera que la fusión nuclear por sí sola solucione nuestros problemas energéticos; por el contrario, se espera que sea un paso hacia un futuro en el que nuestra energía sea obtenida a través de una variedad de fuentes: solar, eólica, hidráulica y, por supuesto, energía de fusión.
Cada uno de estos avances es un pequeño paso hacia un futuro mejor, sostenible y amigable con el medio ambiente.
Fuentes y Lecturas recomendadas
https://www.iter.org/fusion-energy/what-fusion
https://www.iter.org/fusion-energy/making-it-work
https://www.iter.org/fusion-energy/advantages-fusion
https://www.iter.org/fusion-energy/advantages-fusion
https://www.iaea.org/es/energia-de-fusion/iter-el-experimento-de-fusion-mas-grande-del-mundo
https://www.iaea.org/newscenter/news/what-is-nuclear-fusion
Recomiendo la escucha del podcast Fusión Nuclear: Tokamaks, ITER y nuestro Futuro Energético | Quantum FM #7 feat. Disponible a través de la plataforma Youtube.