Día con día la demanda global de energía aumenta impulsada por el crecimiento de una población con expectativas de vida cada vez mayores: se estima que para 2050 el número de habitantes del planeta supere los nueve mil millones de personas, casi dos mil millones más que hoy, y se prevé además que muchas personas de países con economías emergentes se sumarán a la clase media global.
Todos ellos comprarán computadoras, diferentes dispositivos, refrigeradores, futuros vehículos eléctricos y otros aparatos que requerirán satisfacer su consumo de energía.
Ante este panorama el mundo necesitará mucha más energía para abastecer a los hogares y los medios de transporte.
Una de las grandes alternativas para obtener esta energía es la fusión nuclear. Y aunque actualmente su obtención sigue siendo un gran desafío, muchos investigadores e ingenieros concentran sus esfuerzos en las formas de producir esta energía recreando en la Tierra las condiciones que se dan de manera natural en las estrellas, como la densidad y la temperatura.
Cabe resaltar que a diferencia de la fisión nuclear, en la que los átomos se dividen para producir energía, en la fusión se unen núcleos más ligeros para crear núcleos más pesados, proceso en el que se libera energía.
Así es cómo las estrellas convierten cantidades minúsculas de masa en grandes cantidades de energía.
Funcionamiento
La fusión nuclear trabaja según el principio de que la energía puede liberarse forzando la unión de los núcleos atómicos en lugar de dividirlos, como es el caso de las reacciones de la fisión nuclear que impulsan las centrales nucleares existentes.
En el núcleo del Sol las enormes presiones gravitatorias permiten que esto suceda a temperaturas de alrededor de diez millones de grados centígrados. A presiones mucho más bajas que es posible recrear en la Tierra las temperaturas para producir la fusión deben ser mucho más altas, por encima de los 100 millones de grados centígrados.
Sin embargo, no existen materiales que puedan soportar el contacto directo con tal calor.
Entonces, para lograr la fusión en un laboratorio los científicos idearon una solución en la que un gas sobrecalentado, o plasma, se mantiene dentro de un campo magnético en forma de dona.
Una manera más simple de entender es que en una central nuclear la energía contenida en el núcleo de un átomo se libera en forma de calor obteniendo energía térmica (independientemente de si esta energía se obtiene con el procedimiento de fisión o fusión nuclear) y esta es la función del reactor nuclear: transformar la energía nuclear contenida en los átomos en energía térmica. Posteriormente, esta energía térmica provoca que una parte del agua del depósito se evapore, apareciendo vapor a alta presión y, por tanto, provocando energía cinética, aquella que poseen los cuerpos debido a su movimiento.
La energía cinética del vapor de agua en movimiento se transforma en energía mecánica al hacer girar las turbinas de la central nuclear.
Y, por último, esta se transforma de nuevo, esta vez en energía eléctrica, gracias al accionamiento de un generador que es responsable de producir la electricidad que llega a ciudades y otras zonas.
Avances
Los trabajos de investigación en materia de fusión nuclear han sido constantes durante años, pero el esfuerzo trajo al fin grandes avances en los dos primeros meses de 2022.
En su búsqueda de un método para conseguir una fusión nuclear que sea práctica, científicos europeos anunciaron que lograron un importante adelanto y el laboratorio Joint European Torus (JET) en Reino Unido batió su propio récord mundial en la cantidad de energía que puede extraer al unir dos formas de hidrógeno: deuterio y litio.
Los experimentos produjeron 59 megajulios de energía durante cinco segundos, equivalentes a once megavatios de potencia. Cabe reconocer que dicha producción de energía solo es suficiente para hervir cerca de 60 teteras eléctricas de agua.
Sin embargo, el resultado valida las opciones de diseño que se han hecho para un reactor de fusión aún más grande que ahora se construye en Francia, el International Thermonuclear Experimental Reactor (Reactor Experimental Termonuclear Internacional), conocido por sus siglas ITER.
El doctor Joe Milnes, jefe de Operaciones de laboratorio del reactor, indica que “los experimentos JET nos acercaron un paso más a la energía de fusión”. Y agrega: “Hemos demostrado que podemos crear una miniestrella dentro de nuestra máquina, mantenerla durante cinco segundos y obtener un alto rendimiento, lo que realmente nos lleva a un nuevo escenario”.
En tanto, en Estados Unidos se logró otro importante paso para esta tecnología. A diferencia de lo que ocurre en las reacciones de fisión de las centrales nucleares actuales, donde un núcleo atómico se divide en dos más ligeros, en las de fusión se unen dos núcleos ligeros (generalmente deuterio, litio o tritio, isótopos del hidrógeno) para formar otro más pesado y producir energía.
Pero recrear este proceso en el laboratorio resulta todo un reto, ya que se consume mucha más energía de la que se obtiene y hay que ir superando varios pasos críticos. Uno de ellos es lograr el autocalentamiento de la materia en un estado de plasma, meta que lograron investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), en California. Así, por primera vez en una instalación de investigación de fusión nuclear el combustible se ha autocalentado en su mayor parte, un claro hito en el camino para demostrar que se puede generar energía a partir de la fusión.
Según el estudio publicado en la revista Nature se logró obtener un “plasma ardiente” en el que la fusión nuclear es la principal fuente de calor para mantener el combustible de deuterio-tritio en un estado de plasma lo suficientemente caliente para permitir más reacciones de fusión.
El físico Chris Young, uno de los líderes del experimento, explicó que “para que se produzcan las reacciones de fusión es necesario calentar mucho el combustible, a unos 100 millones de grados Fahrenheit con algún tipo de fuente de calor externa, pero en un plasma ardiente son las propias reacciones de fusión las que calientan el plasma más que ese calentamiento externo. Por tanto, la creación de un plasma ardiente es un claro hito en el camino para demostrar que se puede generar energía a partir de la fusión, lo que sería relevante para la producción de electricidad”.
La combustión del plasma se realizó en la instalación National Ignition Facility (NIF) del laboratorio californiano utilizando 192 rayos láser, con los que se calentó y comprimió rápidamente una cápsula que contenía 200 microgramos de combustible termonuclear de deuterio-tritio, alcanzando temperaturas y presiones lo suficientemente altas para desencadenar las reacciones de fusión del autocalentamiento.
Aunque los autores consideran que esto supone un hito en fusión nuclear, reconocen que aún queda un largo camino por delante hasta que se consiga producir electricidad a escala comercial mediante este procedimiento.
Ventajas de la fusión nuclear
Garantiza el suministro eléctrico.
Es respetuosa con el medio ambiente y ayuda a mitigar el cambio climático.
Los combustibles primarios son baratos, abundantes, no radioactivos y repartidos geográficamente de manera uniforme.
Sistema intrínsecamente seguro: el reactor solo contiene el combustible necesario para los diez segundos siguientes de operación.
No genera residuos radioactivos, contaminantes ni peligrosos.
En el futuro será una fuente prácticamente inagotable de producción de electricidad
Fuente: Foronuclear