Fusión: energía para el futuro

Los países en vías de desarrollo, en particular los asiáticos y los de Oriente Medio, serán los principales artífices de este incremento, si bien el consumo energético seguirá siendo tan desigual como lo es actualmente: en torno a una media de 6.000 W por persona y año para los países de la OCDE y una media de 1.500 W por persona y año en el resto del mundo. Estos valores suponen un consumo energético mundial de aproximadamente 90 millones de barriles de petróleo diarios, o lo que es lo mismo, la factura energética mundial diaria se sitúa entre 6.000 y 9.000 millones de dólares.

Los combustibles fósiles seguirán siendo las principales fuentes de energía primaria en el mundo, según dicho escenario de referencia y representarán más del 75% del incremento general de la utilización de la energía entre 2007 y 2030, aunque la utilización de tecnologías más modernas permita registrar la mayor tasa de crecimiento en energías renovables no hidráulicas.

Sin embargo, en la actualidad la inversión mundial en materia energética ha decaído mucho como consecuencia de la crisis económica y la debilidad de la demanda final. Esto puede traer consigo consecuencias particularmente graves en relación con la seguridad energética y el cambio climático.

En España, durante el año 2009, según datos de Unesa y Red Eléctrica de España, por primera vez en la historia, la energía eólica —con una aportación del 13% en la producción de energía eléctrica (un 11% en el 2008)— ha superado a la de carbón, que ha cubierto apenas el 12% de la demanda al reducir su producción un 25,8%.

Por otra parte, y para el mismo año, las energías renovables han incrementado su peso en la cobertura de la demanda eléctrica, con una aportación del 26% frente al 24% en el 2008.

La energía de fusión, origen de la energía del sol y de las estrellas, se presenta como una alternativa energética a largo plazo, que permitirá, en gran medida, solucionar esta situación.

La investigación en fusión ha experimentado un notable desarrollo en los últimos años, pudiendo decirse que actualmente comienzan a darse las condiciones necesarias que permitan pasar de una primera fase experimental o de laboratorio, a una fase posterior en la que esta fuente pueda ser considerada como una opción energética primaria para producción limpia de electricidad a gran escala y con enormes reservas de combustible distribuidas por toda la Tierra.

En términos generales la fusión es el proceso por el cual dos núcleos de elementos químicos ligeros se unen para formar un núcleo de elemento químico más pesado liberando en el proceso una gran cantidad de energía.

Al intentar poner en contacto estos dos núcleos, estos se repelen debido a la fuerza coulombiana entre ellos. Para vencer esta fuerza de repulsión electrostática es preciso que los núcleos se acerquen entre sí lo suficiente como para que las fuerzas nucleares de atracción superen a la repulsión electrostática. Ello se consigue proporcionando energía térmica a los núcleos suficiente para que colisionen a gran velocidad. A esa temperatura la materia se encuentra en estado de plasma.

A priori, el Hidrógeno sería un combustible ideal debido a que es el elemento químico mas ligero y, de hecho, en el Sol es el combustible utilizado, uniéndose dos núcleos de Hidrógeno para formar Helio. La energía térmica necesaria es altísima, difícilmente alcanzable en términos terrestres, por lo que se recurre a los isótopos del Hidrógeno, el Deuterio (2H1) y el Tritio (3H1). La reacción termonuclear entre estos dos isótopos produce Helio, con una energía asociada de 3,52 MeV y un neutrón de 14,06 MeV de energía.

Cada litro de agua contiene 33 miligramos de Deuterio, cantidad que, al fusionarse con Tritio, produce el equivalente energético de 340 litros de gasolina. En la Tierra, y en particular en el mar, hay suficiente Deuterio como para proporcionar energía durante miles de millones de años.

Por su parte el Tritio es un combustible artificial y radiactivo. Su tiempo de vida media es 12,3 años, no existe en la naturaleza y tiene que ser producido de forma artificial.

Si la reacción anterior se desarrolla en un ambiente de Litio, actuando este como catalizador, los neutrones liberados en la reacción interaccionan con el Litio produciendo Tritio, Helio y nuevos neutrones de menor energía. La envoltura de Litio o ‘Breeding Blanket’ tendrá, pues en las futuras centrales termoeléctricas de fusión un triple cometido: Generación de combustible, moderación de las reacciones producidas y circuito caloportador primario.

En resumen, para que se produzca la reacción termonuclear de manera autosostenida, esto es, para que se produzca la ‘ignición’ del plasma el triple producto entre la densidad de éste, su temperatura y el tiempo en el que puede mantenerse el plasma como tal (tiempo de confinamiento) debe ser superior a un cierto valor (criterio de Lawson), que en el caso de la reacción Deuterio Tritio se cifra en 1021 KeV segundos por metro cúbico.

Para poder controlar estos factores es preciso aislar el combustible de su entorno frío, esto es, es preciso confinar el plasma. Ello se lleva a cabo mediante dos líneas diferentes de desarrollo: el confinamiento inercial y el confinamiento magnético.

El primer método aprovecha la inercia de la materia de modo que se ceda energía al plasma de una forma tan rápida (por ejemplo mediante láseres) que la fusión se alcance antes de que al material le haya dado tiempo a expandirse. Por su parte, el segundo método obliga a describir trayectorias cerradas a las partículas del plasma mediante la acción sobre él de campos magnéticos muy intensos.

El confinamiento magnético es la opción que ha elegido la Unión Europea de cara al desarrollo de la fusión como fuente energética. Su fundamento se centra en el hecho de que el combustible, a las temperaturas a las que se trabaja para conseguir reacciones de fusión, se encuentra en estado de plasma, esto es, los átomos se encuentran separados en núcleos y electrones y, por tanto, formado por partículas cargadas eléctricamente, aunque el plasma, globalmente en conjunto sea eléctricamente neutro. Por ello, si se somete al plasma a la acción de campos magnéticos, las partículas cargada seguirán las líneas de campo, pero describiendo trayectorias espirales en torno a ellas. Las líneas de campo deberán ser cerradas por lo que se emplea una geometría toroidal. Por otro lado, para evitar pérdidas de partículas del plasma se torsionan las líneas de campo a lo largo del toro en vez de cerrarse sobre si mismas mediante un campo poloidal.

En estas condiciones, según se distribuyan las líneas de campo, se tendrán dos configuraciones distintas para las maquinas de fusión por confinamiento magnético: Tokamak y Stellarators. En la primera de ellas el campo poloidal se genera utilizando un transformador central, mientras que los stellarators utilizan bobinas externas para generar dichos campos. Ambos conceptos, tokamak y stellarator fueron concebidos de forma prácticamente simultánea. El primer tokamak fue desarrollado por el Instituto Kurchatov a partir de 1951. Posteriormente aparecieron dispositivos similares en todo el mundo: Alcator, ISX, PLT, Doublet en EE UU; T3, TM-3, T10 en Rusia; TFR en Francia, ASDEX en Alemania, etc.

España, se acogió al Proyecto Marco de Investigación Europeo mediante un proyecto de fusión que incluía la construcción del Stellarator TJII. Ello ha permitido, por una parte, que España participara en el desarrollo de la fusión como fuente de energía, y por otra, que se involucrara al sistema nacional de ciencia y tecnología, así como a las empresas españolas, en desarrollos del Programa Europeo.

El diseño y construcción del Stellarator TJII fue aprobado por Europa en 1990 necesitándose 7 años para finalizar su construcción.

En el TJII las componentes del campo magnético se obtienen mediante la utilización de bobinas magnéticas, cuya utilización conjunta genera un campo magnético de topología toroidal, con una sección poloidal en forma de judía, que guía al plasma alrededor de un conductor central, manteniéndolo alejado de las paredes de la cámara que lo contiene.

En una primera fase, el programa científico del TJII incluye estudios sobre plasmas producidos por calentamiento; también se han realizado estudios relativos a la interacción del plasma con la pared de la cámara de vacío así como estudios de erosión o y de deposición de materia en dicha pared. Simultáneamente se han desarrollado diagnósticos que aportan información sobre parámetros del plasma con particularidades que los hacen prácticamente únicos en el mundo.

En una segunda fase experimental en el TJII se ha hecho especial hincapié en los estudios de plasma con alta densidad y alto valor de la relación presión del plasma/presión magnética. Los resultados obtenidos en esta segunda fase se tendrán muy en cuenta en la construcción del futuro reactor comercial de fusión.

En la actualidad, el gran reto tecnológico planteado para la construcción de este futuro reactor comercial se centra en el desarrollo de materiales capaces de soportar los daños por radiación que se puedan acumular alo largo del tiempo de vida del reactor. En este sentido, en el marco del Laboratorio Nacional de Fusión se ha acometido un nuevo proyecto consistente en la construcción en la Comunidad de Madrid de una Instalación Singular (TechnoFusión) en la que se espera concentrar un conjunto de laboratorios e instalaciones de carácter único que faciliten y potencien la participación española (tanto grupos de investigación como empresas) en el desarrollo de las diferentes tecnologías que intervendrán en los futuros reactores de fusión.

El objetivo de este centro será, entre otros, el aumento de la participación española en proyectos internacionales de fusión actualmente en desarrollo (ITER, IFMIF, DEMO, JT60-SA, etc.) mediante la aportación de diseños y componentes, así como la transferencia de conocimiento a las empresas, para que éstas puedan participar en los citados proyectos. Además, las tecnologías que se desarrollen en este Centro serán susceptibles de una explotación comercial a largo plazo, así como de la creación y posicionamiento progresivo de una estructura científica e industrial española en este tipo de tecnologías.

El proyecto está basado en un análisis de las tecnologías que se consideran de mayor desarrollo en el futuro teniendo en cuenta las posibles oportunidades en el Programa de Fusión Europeo y los compromisos que España ha asumido dentro del Acuerdo Bilateral EU-Japón para desarrollar la fase inicial de IFMIF y la construcción del dispositivo JT60-SA. Sobre la base de los criterios mencionados, las actividades de TechnoFusión se concentrarían en la creación de infraestructuras para las líneas de investigación de modificación de materiales simulando su entorno en operación, robótica y automática para mantenimiento remoto, interacción entre el plasma y la primera pared, desarrollo y caracterización de materiales estructurales y aislantes, tecnologías de metal líquido y simulación computacional.

En 1978 Euroatom aprobó la construcción del tokamak JET (Joint European Torus) que inició su operación en 1983 siendo desde el primer momento el principal proyecto europeo de fusión. En 1991 realizó sus primeros experimentos con Deuterio y Tritio obteniendo reacciones de fusión y generando una potencia de 2 MW. Su récord de potencia generada (16 MW) así como de energía producida (20 MJ: 4 MW durante 5 segundos).

Los prometedores resultados de los tokamaks permitió dar el siguiente paso en la investigación en fusión por confinamiento magnético: ITER (International Termonuclear Experimental Reactor) con un presupuesto inicial de 5000 millones de euros (coste sensiblemente igual a la factura energética mundial de 1 día, como se dijo anteriormente) y que se realiza en colaboración entre EE UU, la Unión Europea, Japón, Rusia, India Corea del Norte y, últimamente, China.

Son objetivos principales de ITER la física de plasma de fusión y sus tecnologías asociadas, esperando aclarar las cuestiones científicas abiertas para un funcionamiento óptimo de una planta de energía de fusión.

Entre los temas más importantes figura el conocimiento y la mitigación de las inestabilidades del plasma, las cuales pueden generar transporte de partículas y de energía indeseados.

ITER será el primer dispositivo de fusión que con un plasma en ‘ignición’. Este estado se alcanzará cuando los núcleos de Helio producidos en las reacciones de fusión y atrapados por el campo magnético, transfieran su energía al plasma, contribuyendo significativamente a su calentamiento. Las centrales eléctricas de fusión utilizarán este procedimiento.

De los plasmas en ‘ignición’ surgirán nuevos fenómenos. ITER permitirá estudiar escenarios avanzados de plasmas, relevantes para las futuras plantas de fusión.

El paso siguiente a ITER será ya la construcción de una planta de demostración (DEMO), reactor del que se espera, ajuste los parámetros necesarios para lo que ya será, en el futuro una planta de fusión comercial.

El proyecto IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility) nace en el marco del acuerdo para ITER entre la Unión Europea y Japón y consiste en el desarrollo de un sistema basado en aceleradores que permitirá la búsqueda de materiales adecuados a los compenentes de un reactor, utilizando micro-muestras.

El diseño conceptual de IFMIF se ha dado ya por concluido, encontrándose actualmente el proyecto la fase de ingeniería de detalle y fabricación de prototipos.

Con toda la información obtenida en estos y otros proyectos de investigación puede decirse que la comunidad científica internacional estará en condiciones de afrontar el siguiente paso, diseñar y construir el reactor de demostración DEMO, que empezaría a operar en torno al año 2035, sería un dispositivo trabajando en ignición, con una potencia de fusión ligeramente superior a ITER, autosuficiente en Tritio y capaz de verter energía eléctrica a la Red al ritmo de operación de una central térmica convencional.

La visión de la situación actual y las expectativas que están ofreciendo las investigaciones sobre la energía de fusión permite, pues, esperar que la Humanidad disponga, en un futuro más o menos próximo, de una fuente de energía razonablemente limpia, ilimitada y segura, como, de forma más pormenorizada pueden ver en la Exposición Itinerante sobre Fusión de la Comisión Europea instalada en el Museu de la Ciència i de la Tècnica de Catalunya de Terrassa.

Durante los pasados meses de marzo y abril, el Museu de la Ciència i de la Tècnica de Catalunya, ubicado en Terrassa (Barcelona), albergó, la exposición itinerante Fusion Expo (Fusion, Energy for the future). Esta exposición patrocinada y presentada por EFDA (European Fusion Development Agreement), la Comisión Europea y la Asociación Española Euratom –Ciemat es una buena excusa para hacer llegar a la población los grandes avances que está realizando la comunidad científica mundial en sus investigaciones sobre dicha materia.