Hoy en día la palabra nuclear está altamente descalificada en torno a la producción de energía eléctrica a través de procesos de fisión nuclear.Es una realidad la existencia de un miedo nuclear en nuestra sociedad y recientemente tal miedo está asociado a catástrofes y accidentes nucleares ocurridos en la historia de la humanidad. Ejemplos sui generis como Chernobyl, Three Mile Island o Fukushima nos ha llevado a la conclusión de que los reactores de fisión nuclear debido a su mantenimiento, vulnerabilidad ante accidentes y su producción de deshechos, los coloca como una opción desconfiable (1) aunado a su alto costo económico y ambiental.
- Imagen de reactor de fisión nuclear
Sin embargo, existe otro proceso nuclear que está en la mira como una solución potencial al problema energético: la fusión nuclear. Este fenómeno ocurre cuando dos núcleos ligeros se unen para formar uno pesado junto con la generación de energía. Por ejemplo, la fusión nuclear ocurre de manera natural en el interior del Sol donde átomos de Hidrógeno se fusionan formando Helio y neutrones. Aquí el papel que juega la temperatura y la presión en el núcleo solar son fundamentales para que esta reacción se lleve acabo (P = 10ˆ16 Pa, T = 15 millones °C). Para que se tenga una idea del orden de magnitud, la presión atmosférica a nivel del mar es de 10ˆ5 Pa (2) y en el interior de la Tierra de 10ˆ11 Pa (3). Entonces, ¿Se pueden lograr estas condiciones en un laboratorio?
- Primeras imagenes del sol obtenidas mediante STEREO
Desde hace más de 50 años se ha tenido claro que la manera más fácil de producir una reacción de fusión nuclear involucra dos isótopos del átomo de Hidrógeno –Deuterio(D) y Tritio(T). Se necesita entonces que un gas altamente ionizado (plasma de D y T) esté sujeto a presiones y temperaturas extremas; y al no igualar las condiciones de presión que hay en el núcleo solar, se necesita mantener al plasma a una temperatura de 150 millones °C. ¡10 veces más que la temperatura del núcleo solar! El lector podrá imaginarse que la fusión nuclear, de llevarse acabo, debe resolver grandes retos científicos y tecnológicos nunca antes vistos.
Pero antes de entrar en detalles de la fusión nuclear, surgen varias cuestiones que se deben responder. Las dos primeras son:
1. ¿Por qué las naciones apostarían por la fusión nuclear cuando se tiene a la mano todo un ejército de energías alternativas: fósiles, solar, eólica, hidroeléctrica, geotérmica, biomasa.?
2. ¿Qué se gana invirtiendo en otra energía nuclear?
La realidad es que las fuentes de energías fósiles eventualmente se agotarán, las energías alternativas no tienen la capacidad de cubrir la creciente demanda energética y ninguna de éstas ofrece lo que la fusión nuclear: prácticamente cantidad ilimitada de combustible, producción nula de dióxido de carbono, baja producción de deshechos y atractivas propuestas de seguridad. De apostarse por la fusión nuclear, es crítico responder: ¿qué requisitos se necesitan para construir un reactor comercial de fusión nuclear? y ¿cuáles son los procesos físicos fundamentales involucrados?
Brevemente retomaré un resultado básico del electromagnetismo: partículas cargadas (iones o electrones) moviéndose en presencia de campos magnéticos experimentan una fuerza conocida como la fuerza de Lorentz. ¿Y esto para qué sirve? Supongamos que el plasma de D y T se encuentra dentro de una cámara, se sabe que si el plasma entra en contacto con las paredes de dicho contenedor, la temperatura del plasma disminuirá y por tanto no se alcanzaría la condición de temperatura de fusión nuclear (¡que es la que estamos buscando!) Entonces, si se está tratando de un problema de partículas cargadas, es de esperarse la introducción de campos magnéticos que confinen dicho plasma evitando el contacto con las paredes de la cámara, preservando así su temperatura.
Dicho lo anterior, es ahora cuando introduzco el término fusión nuclear a través del confinamiento magnético. Los científicos que optaron por esta estrategia han desarrollado ideas referentes al diseño óptimo del dispositivo que confine magnéticamente a un plasma. Es posible mostrar mediante estudios de estabilidad y equilibrio que la forma de “anillo” o “dona” es la óptima, dando origen al Tokamak acrónimo del ruso тороидальная камера с магнитными катушками (cámara toroidal con bobinas magnéticas), esta idea se ha desarrollado, implementado y mejorado por más de 6 décadas.
Aterricemos ideas, se necesita entonces de un dispositivo anular con bobinas magnéticas en cuyo interior se localiza un plasma de Deuterio y Tritio. ¿Con esto basta para tener fusión? Y la respuesta es no, ya que para elevar y mantener la temperatura del plasma en el régimen de fusión es necesario contar con algún sistema que proporcione energía al plasma. Sistemas tales como inyección de neutrones y de ondas electromagnéticas de radio frecuencia modulan y elevan la temperatura del plasma hasta llegar a aquella de fusión.
Un ejemplo concreto de un tokamak en funcionamiento es JET (Joint European Torus) ubicado a las afueras de Oxford, Inglaterra. En 1997, científicos lograron no sólo confinar un plasma con campos magnéticos sino que produjeron energía de fusión nuclear, logrando una potencia de salida de 16 MW con 25 MW como potencia de entrada. Debido a que JET no fue construido para generar cantidades significativas de energía como resultado de la fusión, científicos e ingenieros de la comunidad internacional se plantearon la construcción de un dispositivo que incremente la razón entre energía producida por fusión y la energía eléctrica necesaria para iniciar y mantener la reacción nuclear. De aquí nace la idea de construir ITER.
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) es un proyecto internacional que pretende demostrar la factibilidad científica y tecnológica de la fusión nuclear a escalas comerciales. En este magno proyecto está involucrada la Unión Europea, China, Rusia, India, Corea del Sur, Japón y los Estados Unidos de América. La construcción de este colosal tokamak se sitúa en Cadarache, Francia y se prevé su culminación para el año 2019. Pero no todo está resuelto, aspectos técnicos de diseño y seguridad se han cruzado en el camino haciendo de ITER un reto científico e ingenieril sin precedentes. Temas que trataré en la segunda parte de este escrito.
Finalmente, para todos los lectores que quisieran empaparse más en este fascinante tema de la fusión nuclear, los invito a visitar los siguientes 2 videos (inglés) donde se detalla el proceso de fusión y los actuales experimentos con tokamaks: Jet, ITER.
ITER, the way to fusion power (1 of 2)
ITER, the way to fusion power (2 of 2)
Acerca del autor:
Cristian Gleason González es egresado de la carrera en Ciencias (Física) de la UAEMor, actualmente estudia el segundo año de la maestría en Ciencias de la Fusión Nuclear e Ingeniería Física que forma parte del programa de cooperación europea Erasmus Mundus. Referencias:
1) Physics World , 23, 10 (Octubre 2010) , IOP Publishing Ltd ., Pp. 30. 2) Dziewonski, A. (1981). "Preliminary reference Earth model". Physics of the Earth and Planetary Interiors 25 (4): 297–356. doi:10.1016/0031-9201(81)90046-7 3) Williams, David R. (September 1, 2004). "Sun Fact Sheet". NASA. Retrieved 2008-01-23.