Rumbo a la fusión, una pequeña estrella sueño

Ronald Reagan y Mikhail Gorbachev firmaron en 1985 la colaboración para “conseguir una fuente de energía esencialmente inagotable en beneficio de toda la humanidad”. Esta fuente de energía era la fusión. Con este acuerdo se puso en marcha el proyecto ITER con el objetivo de hacer realidad la fusión. Posteriormente se incorporaron al proyecto la Unión Europea, China, Japón, Corea del Sur e India.

ITER significa en inglés “Reactor Termonuclear Experimental Reactor Internacional” y en latín “camino”. El camino está siendo largo, laborioso y caro. En 2005 se decidió su construcción en Cadarache (Francia), comenzaron en 2013 y esperan terminar en 2019. No está claro el coste, pero serán miles de millones de euros. Tras la Estación Espacial Internacional, será el edificio científico más caro.

“Este dulce es tan dulce energéticamente”, afirma el investigador de la UPV Igor Peñalva Bengoa. “Si la fusión se consigue a medio plazo se pueden solucionar los problemas energéticos actuales”. Peñalva investiga en el campo de la fusión. Goretti Sevillano Berasategi también en otro departamento de la UPV. “Los combustibles fósiles se están agotando y las renovables tienen limitaciones y no pueden generar toda la energía que necesitamos —dice Sevillano—, ahí tenemos un problema”.

Inagotable, limpio y seguro

La fusión supone una serie de ventajas respecto a otras fuentes de energía. Las materias primas son prácticamente inagotables. Se trata de utilizar dos isótopos de hidrógeno, el deuterio y el tritio. “Se puede considerar que el deuterio es inagotable porque hay un montón en el mar. El tritio, por su parte, se formará en el propio reactor, a partir del litio, y el litio tampoco es inagotable pero prácticamente inagotable. Tenemos litio suficiente para miles de años”, explica Peñalva. Por otro lado, “no habría conflictos geopolíticos con el petróleo, el carbón, etc., porque las materias primas se pueden encontrar en cualquier sitio”, ha añadido Sevillano.

Una de las bobinas que se utilizará para crear el campo magnético de ITER. El reactor tendrá seis bobinas de 8, 17 y 24 metros de diámetro. Cada bobina tarda unos 18 meses y tiene un peso de entre 93 y 396 toneladas. Ed. © ITER Organization, http://www.iter.org/

Además, Sevillano destaca que es “energía limpia”. “No genera gases de efecto invernadero. Y es cierto que se generan unos residuos radiactivos pero de baja actividad y de muy corta vida”.

La unión de un átomo de deuterio y un átomo de tritio produce un átomo de helio, un neutrón y energía. Esta es la reacción de fusión. Se trata de un proceso contra la fisión que se produce en las centrales nucleares actualmente en funcionamiento. La energía se obtiene dividiendo los núcleos de grandes átomos como el plutonio y el uranio en la fisión. En la fusión, mediante la interacción de núcleos de pequeños átomos como el hidrógeno.

A través de estos neutrones que se forman en fusión, los metales pueden convertirse en radiactivos. “Pero estos metales, después de 20-40 años, no son radiactivos y pueden ser reutilizados tranquilamente, por lo que yo no los cogería como residuos radiactivos”, explica Peñalva. “No tienen nada que ver con los residuos de fisión. En este caso, no son de alta actividad y no es un problema de millones de años, sino de 10, 20 o 40 años”.

En cuanto a la seguridad, nada que ver con la fisión, explica Peñalva: “En la fisión se producen reacciones en cadena que requieren un buen control. Si se pierde el control, puede ocurrir Chernobyl, etc. En la fusión ocurre lo contrario; si hay un problema en un reactor, la reacción se detiene. La propia reacción es segura en sí misma”.

De las estrellas a la Tierra

Inagotable, limpio, seguro… Parece que tiene todo. El problema es la dificultad. “Tecnológicamente conseguir la fusión no es fácil”, afirma Peñalva. “Ten en cuenta que los únicos reactores de fusión en funcionamiento que conocemos son las estrellas. Toda la energía que nos llega del Sol se genera a través de reacciones de fusión, y en definitiva, gracias a ella vivimos. El problema es conseguirlo en la Tierra. Se necesitan temperaturas superiores a los 100 millones de ºC y eso no es cosa de bromas”.

Goretti Sevillano Berasategi. Investigador del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Escuela de Ingeniería de Bilbao de la UPV/EHU. Ed. Mónica del Valle/©Press de Fotos

Esta pequeña estrella que se creará en ITER ocupará 150 millones de ºC, 10 veces más que el núcleo del Sol. De hecho, en las estrellas el átomo fusiona fuerzas de gravedad. En la Tierra, sin embargo, no se puede producir esta fuerza, por lo que se necesitan temperaturas mayores para conseguir que los átomos se pongan en estado de plasma y se fusionen. “No conocemos materiales que resistan esta temperatura”, afirma Peñalva. Pero la estrella artificial se puede mantener atrapada por campos magnéticos. Para ello, los imanes superconductores de ITER se enfrían a -269ºC, muy cerca del cero absoluto. La mayor y menor temperatura del mundo estará casi en el mismo lugar.

Sabemos que en la Tierra se puede conseguir la fusión. Ya se ha conseguido en varias máquinas. “Pero la reacción dura muy pocos segundos en condiciones de generación de energía, tiempo que no es suficiente para recuperar la energía entregada para iniciar la reacción”, explica Sevillano. La mejor marca se ha obtenido en el reactor JET británico: Entrada de 24 MW y extracción de 16.

El objetivo de ITER es generar diez veces más energía de la introducida. Está diseñado para introducir 50 MW y extraer 500. ITER será muy similar a JET pero mayor. “Según los cálculos, cuanto más grande sea, más fácil conseguiremos sacar más energía”, explica Peñalva.

Al igual que el JET, ITER será un reactor tipo tokamas. La fusión se produce en una cámara en forma de toroide o rosquilla en el tocado. “Los dispositivos que más se han trabajado hasta ahora son los locales”, dice Sevillano. “Hay quien piensa que los de stellarator pueden ser mejores, pero tienen formas muy especiales y son muy difíciles de construir, sobre todo a gran escala. Por eso, y porque se ha investigado mucho más en el traslado, se decidió que ITER fuera de lugar”. En cualquier caso, el funcionamiento de ambas es básicamente similar, y “lo que se investiga en una de ellas es bastante fácil de adaptar a la otra”, explica Sevillano.

Otra forma de conseguir la fusión es sustituir los campos magnéticos por láseres muy potentes y muy precisos. El proyecto NIF de los estadounidenses es es el principal en este camino, pero, a pesar de que así han demostrado que es posible la fusión, el Departamento de Energía del Gobierno de EE.UU. reconoció el año pasado que el NIF tiene serias dudas sobre si el objetivo de obtener energía puede llegar a en alguna ocasión.

Igor Peñalva Bengoa. Investigador del Departamento de Ingeniería Nuclear y Mecánica de Fluidos de la Escuela de Ingeniería de Bilbao de la UPV/EHU. Ed. Ana Galarraga/Elhuyar

Sevillano ve difícil el camino de Laser: “La cuestión es que la mayoría de los científicos y laboratorios que trabajan en fusión están trabajando con confinamiento magnético, y yo creo que los resultados van a venir de ahí”. Peñalva coincide: “ITER cuenta con el apoyo tecnológico de JET. Sabemos que puede funcionar. Y se calcula que haciendo más grande puede ser más fácil obtener energía, se ha decidido internacionalmente: ‘hagamos entre todos un gran reactor, a ver si conseguimos comprobar que esto es tecnológicamente viable’. Como se ha decidido hacer ITER a nivel internacional y el dinero está ahí, la mayoría de las investigaciones están encaminadas a ello”.

Fusión en la UPV

Y en eso están también los investigadores de la UPV. “Nosotros somos un grupo de control”, afirma Sevillano. “Para alargar este estado del plasma y poder extraer energía de él es necesario controlar una gran cantidad de parámetros: corriente de plasma, forma de plasma, corrientes de bobinas, tensión, etc.”. Para ello desarrollan sistemas de control.

Y disponen de una pequeña máquina para realizar las primeras pruebas de estos sistemas. “No es un reactor, pero tiene una cámara de vacío donde se puede utilizar el helio como combustible. Todavía se encuentra en proceso de construcción y lo que pretendemos con ello es comprobar, mediante pruebas con los esquemas y modelos de control que desarrollamos para algunos parámetros, si estos esquemas de control o modelos de plasma desarrollados pueden ser de utilidad. Y una vez comprobado esto, realizar las modificaciones necesarias para adaptarlo a una máquina experimental más grande”.

Por su parte, el equipo de Peñalva analiza el comportamiento de ciertos materiales metálicos con hidrógeno y deuterio. “Necesitamos saber en qué medida el hidrógeno y sus isótopos penetran en los materiales para luego saber dónde estarán estas partículas y cómo gestionarlas, y decidir qué materiales son los más adecuados”. En algunos casos, interesa introducir mucho en el material, por ejemplo, para recuperar el tritio. Y en otras, lo contrario. Por ejemplo, el propio tritio es radiactivo y para trabajar con seguridad se necesitan materiales que impidan el paso del tritio.

Trabajan principalmente con aleaciones de hierro. “Lo que nosotros estudiamos es al fin y al cabo, por ejemplo, cuando el hierro tiene más o menos cromo, en qué medida aumenta o disminuye la permeabilidad. Medimos estos parámetros. Esa es nuestra aportación. En principio, para ITER está decidido o semi-decidido cuáles serán los materiales, pero esta investigación está orientada a la siguiente fase”.

Construcción de ITER en Cadarache (Francia), 12 de enero de 2017. Ed. ITER Organization/EJF Richer, http://www.iter.org

Mirando al futuro

La siguiente fase es DEMO. En definitiva, se trata de un gran reactor experimental ITER que no producirá energía útil. El objetivo de ITER es demostrar que la fusión es viable tecnológicamente y energéticamente, y que, al igual que en las estrellas, en la Tierra también podemos obtener energía mediante la fusión. Para cuando se demuestre esto ya se está diseñando un siguiente reactor: DEMO. Eso sí, produciría la energía que entraría a la red eléctrica.

“Todos tenemos ojo en ITER”, afirma Sevillano. “Se ha invertido mucho tiempo, mucho trabajo y, aunque ha sufrido grandes retrasos, al final parece que avanza. Yo espero que cumpla los objetivos”. Así lo cree Peñalva: “En principio, en 2025 quieren conseguir el primer plasma. Y en 2035 poner en marcha estas primeras reacciones de fusión deuterio-tritio de forma continua. Y si todo esto va bien y se cumplen los límites de plazo, se espera que estos reactores DEMO estén operativos o, al menos, orientados para 2050”.

En estos casos el cumplimiento de los plazos no es fácil. Además de las dificultades tecnológicas, la gestión no es sencilla en un proyecto tan ambicioso. En total hay 35 países incluidos. Y esa es otra razón para ser optimista, según Peñalva: “Veo consenso internacional y está entrando mucho dinero. Los países no meten dinero en un proyecto tan grande que no ven futuro”.

Sin embargo, para empezar a producir electricidad a través de la fusión, Sevillano considera que todavía son necesarios más de 50 años: “A ITER todavía le falta y luego, aunque todo vaya bien, hay que tener en cuenta el tiempo que se tarda en hacer la DEMO”. Peñalva es algo más optimista: “Yo creo que sí para 2050. No es cosa de mañana, y a la sociedad a menudo le cuesta entenderlo. Mañana no estará en marcha un reactor de fusión, pero quizá sí para 2050. Y si esto fuera así, la estructura energética que tenemos cambiaría radicalmente. Lo que ofrece la fusión no lo ofrece ninguna otra fuente de energía. Por eso estamos en ello”.