"Ya estamos en el último escalón": cómo España se ha hecho con la llave para hacer realidad la fusión nuclear

España está a punto de tener su propia instalación científica de referencia mundial. A mediados de septiembre de 2022 comenzaron las obras de construcción de IFMIF-DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility DEMO-Oriented NEutron Source), un ambicioso proyecto vinculado a ITER, el reactor de fusión experimental que un consorcio internacional liderado por Europa está construyendo en la localidad francesa de Cadarache.

Esta iniciativa tendrá un papel fundamental en el camino hacia DEMO (DEMOnstration Power Plant), que será una instalación que recogerá todo el conocimiento adquirido en ITER e IFMIF-DONES con el propósito de demostrar la viabilidad de los reactores de fusión en la producción de electricidad. Este último proyecto estará ubicado en la localidad granadina de Escúzar, y una de las personas que mejor lo conocen es Moisés Weber, investigador de CIEMAT que actualmente ejerce como Adjunto al Director de IFMIF-DONES España.

Moisés es doctor en ingeniería industrial, y trabaja desde hace casi dos décadas en fusión nuclear. Buena parte de su carrera científica ha discurrido en CIEMAT, aunque también ha tenido un papel relevante en LIPAc, el acelerador de partículas alojado en Rokkasho (Japón), que, de alguna forma, es el precursor de IFMIF-DONES.

Nadie mejor que él para indagar en todo lo que se está cociendo actualmente en este proyecto. De hecho, como estáis a punto de comprobar, Moisés puede ayudarnos a disipar muchas de las dudas que revolotean alrededor de la fusión nuclear. Abrochémonos los cinturones.

IFMIF-DONES es una pieza fundamental en el camino hacia la energía de fusión

¿Podrías explicar de la forma más didáctica posible cuál es el propósito del proyecto IFMIF-DONES?

Los reactores de fusión contienen la reacción entre los núcleos de deuterio y tritio, y esta reacción de fusión produce un tipo de neutrones rápidos con una energía media más alta que los producidos en otro tipo de centrales. No obstante, no son partículas extremadamente rápidas; de hecho, se mueven en un rango intermedio si las comparamos con otros neutrones rápidos.

Debido a su energía estas partículas provocan un daño muy específico en los materiales del reactor, y hoy en día no existen bancos de test que nos permitan poner a prueba los materiales que necesitamos para las centrales de fusión.

Yo siempre digo que ITER es una máquina que viene a responder a la pregunta de cómo hay que hacer fusión, pero no va a responder a la pregunta de qué materiales podemos utilizar porque este reactor va a funcionar con un ciclo de trabajo corto.

Esto significa que va a trabajar “a ratos”, por lo que durante todo su ciclo de vida va a producir un daño en los materiales que estará aproximadamente dos órdenes de magnitud por debajo del que van a provocar las verdaderas centrales de fusión.

Como es lógico, esta degradación de los materiales tenemos que probarla a fondo antes de construir una central eléctrica de fusión, como DEMO, pero, como he mencionado, hoy en día no tenemos ningún banco de ensayo que nos permita hacerlo. Esta es precisamente la razón por la que vamos a construir IFMIF-DONES.

Los neutrones que va a aportar no son idénticos a los de la fusión, pero producen un daño muy similar, que es justo lo que queremos ver: cómo dañan los materiales del reactor. Además, se van a producir en una cantidad muy grande. De hecho, será suficiente para probar aceleradamente los materiales.

¿Cuál es el estado actual de la candidatura de Granada? España cuenta con el respaldo de Croacia, que era el otro candidato europeo a albergar el proyecto IFMIF-DONES, pero Japón también aspiraba a hacerse con él. ¿Ya hay una decisión firme que respalde la candidatura española?

En un principio los países que participan en el desarrollo de la tecnología de fusión, que son más o menos los mismos que intervienen en ITER, plantearon que era necesario planificar un proyecto de irradiación de los materiales.

Esta estrategia se confirmó a principios de este siglo, y a partir de ese momento surgieron varios potenciales candidatos. En Europa surgieron tres, España, Croacia y Polonia, pero solo los dos primeros países plantearon una candidatura firme. A partir de ese momento se produjo una negociación entre España y Croacia para presentar una única candidatura.

Japón también estaba muy decidido a participar. Lo que sucede es que la propuesta europea firme desde 2018 es Granada, y Europa quiere tener su propio proyecto de irradiación de materiales.

Japón está planteando su propio diseño, que es similar al nuestro porque parte de la misma tecnología desarrollada en la fase previa, pero se están celebrando reuniones entre Europa y Japón porque estamos intentando que este país asiático participe en IFMIF-DONES. De hecho, hubo una reunión importante a finales de 2022.

El producto de esta instalación va a ser una base de datos de materiales que se va a utilizar para compararla con las simulaciones que existen y mejorar los cálculos que se hacen.

Esta información va a tener un valor económico y estratégico, y las grandes potencias, como Europa, Japón o Estados Unidos, quieren tener su propia base de datos, o bien un acceso consolidado a la base de datos que haya. Esto nos permite formarnos una idea muy precisa de la importancia que tiene IFMIF-DONES desde un punto de vista estratégico.

Lo que nos estás explicando nos invita a recordar que la mayor parte de las potencias científicas y económicas del planeta participan en ITER. La Unión Europea, Estados Unidos, Japón o China son algunas de ellas, pero ¿qué sucede con Rusia? ¿Cómo estáis viviendo los científicos que trabajáis en fusión el conflicto actual entre Occidente y Rusia?

Debido al criterio general que se ha adoptado en Europa se han producido varios movimientos que han limitado los nuevos proyectos. Las personas que trabajamos en el ámbito de la ciencia somos reacias a estas cosas, por lo que, hasta donde yo sé, las colaboraciones con Rusia que están en marcha se mantienen.

Aun así, lo cierto es que las organizaciones internacionales que soportan los programas han impuesto algunas restricciones que sobre todo están vinculadas a las nuevas colaboraciones.

En ese caso, ¿podría retrasar el conflicto que mantienen Occidente y Rusia el desarrollo de la fusión?

Es un problema, desde luego. Si los socios no están a gusto trabajando juntos por las razones que sean, se producen problemas. Yo creo que la guerra de Ucrania no tiene necesariamente que retrasar el desarrollo de la fusión en general, aunque puede provocar el retraso de algún proyecto. En ITER hay una participación rusa importante, y hasta donde yo sé se mantiene, pero no tal y como era hasta ahora, lógicamente.

En cualquier caso, los científicos no tenemos actualmente la sensación de que este conflicto vaya a tener un impacto importante en el desarrollo de esta tecnología. De hecho, y esto me parece muy importante, este problema nos ha obligado a identificar la necesidad de tener fuentes de energía, especialmente en los países que no tienen unos recursos equiparables a su capacidad de consumo, como son Europa y Japón.

España merece una instalación científica de referencia mundial

EUROfusion ha definido un itinerario con hitos precisos que nos anticipan que la fusión nuclear comercial llegará en la década de los 60. ¿Qué plazo de tiempo tiene el proyecto IFMIF-DONES para desarrollar los materiales que deberán ser puestos a prueba en DEMO?

Nuestro plan consiste en empezar a irradiar de forma consistente en 2033, de modo que tendremos los primeros datos en dos años, en 2035. Precisamente en la hoja de ruta de fusión que publica EUROfusion se ve que IFMIF-DONES tiene varios momentos en los que debe entregar sus resultados a DEMO. El último será justo antes del inicio de la construcción de este último reactor de fusión de demostración, cuando se otorguen las licencias.

IFMIF-DONES será el proyecto responsable de demostrar que esos materiales pueden utilizarse para construir DEMO. No obstante, durante la fase de diseño de este último reactor de fusión IFMIF-DONES entregará resultados cada poco tiempo de los distintos experimentos que iremos realizando.

Además, nuestro programa tiene una segunda fase que consiste en la puesta a punto de un segundo acelerador que posiblemente se empezará a diseñar unos diez años después de la puesta en marcha. Esta ampliación añadiría como mínimo otros veinte años de programa de irradiación con aproximadamente el doble de flujo de neutrones.

¿Qué perfil tienen los investigadores que están involucrados actualmente en el proyecto IFMIF-DONES? ¿Qué porcentaje de españoles y extranjeros participan en él?

En Granada ahora mismo somos quince personas, aunque acabamos de sacar ocho plazas para distintos tipos de contratos con el propósito de crecer un poco. No obstante, en realidad en este proyecto en España trabajan de manera directa unas 150 personas pertenecientes a varias universidades e instituciones de investigación, como el CIEMAT o la Universidad de Granada, y otras tantas pertenecientes a empresas.

En otros países están involucradas unas 300 personas más. Casi todos ellos son físicos o ingenieros. Ahora mismo probablemente cerca de la mitad de las personas involucradas en IFMIF-DONES son españolas, al menos las que tenemos más localizadas, y este porcentaje se va a mantener en el futuro durante la puesta en marcha del acelerador de partículas.

¿Qué representa este proyecto desde un punto de vista científico y económico para Granada? ¿Qué relevancia tiene para España como uno de los países con participación directa en ITER?

Nosotros empezamos a hablar de este proyecto en 2006, y nos empeñamos en que se tenía que hacer en España. El programa de fusión “le debía” una gran instalación a nuestro país porque hemos participado en este proyecto desde sus inicios de una manera muy relevante, desde el CIEMAT principalmente, aunque también hay otros participantes. Siempre hemos estado en la primera línea con instalaciones como el TJ-II de Madrid, que en su momento era la instalación de referencia en Europa del tipo stellarator.

Sin embargo, intentamos traer ITER a España y se truncó en el último momento por negociaciones políticas. No fue un tema técnico. De hecho, desde un punto de vista estrictamente técnico probablemente la española era la mejor candidatura. Sabíamos que había que hacer algo importante en España, e IFMIF-DONES es una instalación de primer nivel. De ahí nuestro interés en tenerla desde el principio. No hay ninguna mesa en la que se sienten las grandes instalaciones científicas y no esté invitada IFMIF-DONES.

Hoy en día España tiene una industria tecnológica potente que está participando por todo el mundo en otras grandes instalaciones, así como grupos científicos y técnicos que están a la altura. Y, sin embargo, no tiene ninguna instalación única y de referencia en todo el mundo. Esto implica, además, que IFMIF-DONES nos da visibilidad.

El impacto económico de una gran instalación científica como esta es muy importante en toda España, pero su intensidad será mayor localmente, en Granada, debido al tejido de soporte de alta tecnología que atraerá para dar apoyo a la instalación. IFMIF-DONES dará visibilidad tanto a Escúzar, que es la población en la que se va a instalar, como a la propia Granada.

ITER e IFMIF-DONES se enfrentan a grandes desafíos

¿Cuáles son los principales retos a los que os enfrentáis los investigadores que participáis en IFMIF-DONES?

En los reactores experimentales de fusión nuclear, como ITER, confinamos las partículas cargadas utilizando un campo magnético. Lo que sucede es que por muy potente que sea siempre tiene un límite, y las partículas cuando se producen adquieren energías muy variadas. Algunas tienen mucha energía, y otras, sin embargo, adquieren poca energía.

Nosotros somos capaces de contener la energía media, pero aquellas partículas que superan este valor de energía tienen la capacidad de escaparse del campo magnético. Y si se escapan muchas partículas perderemos mucha energía y no seremos capaces de mantener la reacción.

Este es uno de los problemas, y se soluciona modulando los campos magnéticos y aumentando el tamaño del plasma. Esta es la razón por la que cada reactor experimental que construimos es más grande que el anterior. Creemos que ITER tiene el tamaño apropiado debido a que cuantas más partículas hay alrededor de una que quiere escapar, más probable es que impacte con otra en su camino de huída y dé la vuelta, o entregue la energía.

En definitiva lo que necesitamos es que la energía que se escapa sea lo suficientemente pequeña para que no tengamos un nivel de energía decreciente dentro de la reacción. Esto ya se ha conseguido en JET, pero se logra durante poco tiempo debido a que no se puede mantener el esfuerzo durante mucho tiempo por falta de tamaño, viéndolo muy simplificadamente.

El segundo reto que estamos afrontando consiste en que necesitamos producir dentro del reactor uno de los ingredientes de la reacción: el tritio. El deuterio es económico y es fácil conseguirlo, pero el tritio no se mantiene en la  naturaleza, por lo que hay que producirlo artificialmente. Y lo ideal es generarlo dentro del propio reactor.

Una forma de resolverlo consiste en introducir litio líquido en las paredes del reactor porque cuando impactan con él los neutrones de alta energía se producirá tritio. Después es necesario extraerlo para reutilizarlo en la reacción como combustible. Esta tecnología es complicada, y está en desarrollo.

Otra parte compleja es la que yo llamo el “tubo de escape” del reactor, que es por donde salen las cenizas, que son las impurezas que ya no queremos dentro de la reacción. Los campos magnéticos las derivan hacia esta zona, conocida como divertor, que está alojada en la parte inferior del toroide, pero esta sección del reactor sufre mucho, por lo que requiere una tecnología depurada.

El siguiente reto importante consiste en encontrar los materiales que necesitamos utilizar en la fabricación del divertor, así como en la primera pared de la cámara de vacío, debido a que van a sufrir de primera mano el impacto de los neutrones. Este es, precisamente, el desafío en el que está involucrado directamente el proyecto IFMIF-DONES. Y, por último, están las dificultades de control. Necesitamos mantener el plasma estable, y se está trabajando mucho con inteligencia artificial y sistemas de control más rápidos.

¿Qué opinas acerca de la posibilidad de que el conocimiento que nos entregará IFMIF-DONES pueda ser aplicado en otras disciplinas más allá de DEMO?

Lo que vamos a hacer en IFMIF-DONES es esencialmente ciencia de materiales antirradiación, por lo que es nueva ciencia. Además, es una fuente de neutrones muy potente, y ya estamos trabajando en otros experimentos que persiguen utilizar la instalación para otras disciplinas científicas distintas de la fusión, como, por ejemplo, en medicina.

De hecho, estamos diseñando experimentos para producir isótopos radiactivos como los utilizados en radiomedicina. Además vamos a estudiar tejidos para ver qué impacto tienen los neutrones en ellos, y estamos trabajando en una tecnología de hadronterapia que podría ayudar a curar determinados tipos de tumores.

Por otro lado también se va a trabajar en física nuclear, y vamos a intentar que la instalación esté disponible para la industria con el propósito de probar materiales de distinto tipo bajo irradiación de neutrones o deuterones. De hecho, vamos a tener dos salas especialmente dedicadas a estos experimentos.

En una se van a recoger los neutrones sobrantes de nuestra reacción, que son aquellos que atraviesan tanto las muestras como el blindaje (por donde se lo permitimos), y, además, vamos a desviar un poquito de nuestro haz de partículas de deuterones para que en otra sala podamos hacer distintos experimentos con ellos. Nuestra intención es aprovechar la instalación lo máximo posible.

¿Qué tipo de tratamiento requerirán los materiales irradiados del manto interior de la cámara de vacío? En teoría serán menos problemáticos que los residuos radiactivos de las actuales centrales nucleares de fisión. ¿Es así?

Sí, desde luego. De hecho, es una de las cosas que van en el ADN de la fusión, que siempre ha sido la némesis de la fisión. Y es un papel que nos gusta en general a todos los científicos que trabajamos en esto. La mayor parte de las personas que nos hemos metido en la fusión lo hemos hecho porque creemos en ella como una forma de generar energía limpia, masiva y segura. Estas propiedades las hemos tenido siempre como paradigma, y, por supuesto, el hecho de que la fusión sea limpia implica que no produce residuos.

Uno de los papeles de IFMIF-DONES es, precisamente, certificar que los materiales que vamos a utilizar no producen residuos radiactivos de alta actividad y larga vida. El objetivo es que los materiales que se utilizarán en las centrales de fusión se activen muy poco.

Se van a activar algo porque van a recibir el impacto de los neutrones, pero estamos desarrollando materiales que se activan poco. Este es un requisito autoimpuesto. Podríamos hacerlo con otros materiales que se activan más. Sacaríamos pequeñas cantidades de residuos porque nunca vamos a tener un combustible cuyos residuos sean radiactivos. No tenemos cenizas radiactivas.

Aun así, es verdad que los materiales que están expuestos a una reacción de este tipo siempre producen algún tipo de actividad, aunque estamos minimizándola. Tendremos una pequeña cantidad de residuos procedentes de materiales estructurales que se desmontarán unas pocas veces en la vida de la instalación, y tendremos un tiempo de enfriamiento radiactivo de unos cincuenta años como mucho. Probablemente no va a ser necesario llevar los residuos a un almacén externo.

¿Por qué es la fusión nuclear inherentemente más segura que la fisión utilizada actualmente en las centrales nucleares?

Una de las razones es que la cantidad de residuos radiactivos es mucho menor. De hecho, en fusión se liberarán cantidades muy pequeñas, estarán muy controladas y tendrán una duración muy limitada. Esto sucederá en lo que se refiere a los residuos, pero si nos ceñimos a la propia planta de fusión, o, incluso, a IFMIF-DONES en sí mismo, no contiene ningún material radiactivo que pueda producir un accidente salvo el tritio, que está presente en cantidades muy pequeñas.

Hablamos de unos pocos gramos en ITER, y de miligramos en IFMIF-DONES. Es un producto radiactivo y peligroso si lo inhalas en gran cantidad, pero en condiciones normales tiene un riesgo muy limitado y no especialmente más relevante que el que conlleva una fábrica de polímeros ante un incendio, por ejemplo.

Luego está el riesgo por el que todo el mundo pregunta. ¿Esto puede explotar? No. En absoluto. De hecho, llevamos 70 años trabajando en la fusión porque es muy complicado sostener una reacción de este tipo. Si falla cualquier cosa lo más mínimo, la reacción se apaga sola. Y cuando se apaga, se apaga. No hay nada más.

Inicialmente teníamos como combustible deuterio y tritio, que son isótopos del hidrógeno, en una vasija, y cuando se apaga la reacción de fusión tenemos exactamente lo mismo. No hay ningún riesgo de nada que tenga que ver con una explosión nuclear. Lo realmente difícil es mantener la reacción, por lo que es intrínsecamente segura.

Como has explicado el combustible de la fusión está constituido por deuterio y tritio, pero en el futuro cabe la posibilidad de que tengamos otras opciones. Quizá podría ser interesante utilizar protio, el isótopo del hidrógeno más sencillo y abundante, como hace el Sol. O bien solo deuterio y eliminar el tritio. Por el momento estas opciones son inviables desde un punto de vista técnico debido a que las condiciones que requeriría la fusión de estos elementos serían aún más exigentes que las que precisan el deuterio y el tritio, ¿verdad?

Así es. La fusión se puede hacer teóricamente con muchas reacciones, pero, como es lógico, lo ideal es recurrir a los elementos más sencillos, que son los que están alrededor del hidrógeno. Y sí, el protio es el más básico. El problema es que con otros ingredientes necesitamos otra temperatura y otras condiciones de contorno. Las más accesibles se dan con deuterio y tritio porque son los isótopos que se llevan menos mal, o, lo que es lo mismo, los que tienen más ganas de unirse.

Cuando pensamos en una primera generación de reactores lo ideal es optar por la reacción más sencilla, pero en el futuro, cuando seamos capaces de trabajar con mayores campos magnéticos y tengamos sistemas de control más rápidos, puede que podamos utilizar otras reacciones.

Una opción podría ser deuterio con deuterio, que tiene menos dificultades al no usar tritio, pero que es más compleja si nos ceñimos a su producción, o bien helio-3 y deuterio, que incluso permitiría no pasar por un ciclo térmico debido a su capacidad de producir iones y electrones que nos permitirían generar energía eléctrica directamente.

ITER tiene competencia

El MIT promete tener listo su prototipo de reactor de fusión nuclear mediante confinamiento magnético en 2025, y la empresa estadounidense TAE Technologies está trabajando en un reactor de fusión nuclear que prescinde del tritio y lo reemplaza por boro. ¿Qué opinas acerca de la viabilidad de estos y otros proyectos alternativos a ITER?

Es una pregunta muy importante. En mi opinión 2022 será recordado como el año en el que empezó la carrera por la fusión. Tengo algunos compañeros que trabajan en estas empresas, y están desarrollando con mucha seriedad tecnologías que debido a su dificultad no funcionaron correctamente cuando se empezó a trabajar en fusión, como, por ejemplo, la tecnología de espejos.

Se están recuperando conceptos antiguos que son prometedores, pero que en el pasado se vio que tenían dificultades intrínsecas. Sin embargo, todas estas empresas están haciendo algo que yo creo que es muy bueno, y que consiste en poner el foco en decir que la energía de fusión es un campo en el que merece la pena invertir. Esto es fundamental.

Además, estas iniciativas privadas están incrementando el mercado de la fusión, y cuando hay un mercado que crece hay mayor inversión en él, más profesionales trabajando en ello y más continuidad. Todo esto es muy positivo. Por otro lado, estas empresas están facilitando que un día una compañía eléctrica llegue y diga “hacedme una central de fusión”.

Yo creo que es muy beneficioso que haya iniciativas privadas que complementan al programa central de fusión público, al que pertenece ITER. Estamos en un momento en el que nos tenemos que dar cuenta de que esencialmente no somos ciencia, somos energía, por lo que deberíamos llegar a los niveles de inversión del sector de la energía, y no quedarnos con la inversión habitual de la ciencia.

¿Cuál es tu opinión acerca de ese mantra que defiende que la fusión nuclear siempre está a la misma distancia del momento actual, sugiriendo que nunca funcionará correctamente?

Las cosas son así hasta que dejan de serlo. La fusión es un reto en el que te embarcas persiguiendo algo que está varios escalones más allá de la tecnología que tienes, por lo que una vez que escalas el primer peldaño ves mejor cuál es el siguiente escalón. Pero cuando llegas a este último compruebas que tampoco tienes la tecnología que necesitas.

Cada vez que llegamos a un punto en el que creemos saber lo que necesitamos corremos el riesgo de que algunas de esas cosas no existan, por lo que tenemos que desarrollarlas. Y a veces no sabemos cuánto costará su desarrollo.

En cualquier caso, creo que ya estamos en el último escalón. Ya vemos con bastante claridad lo que falta porque ya es tangible. Ya hemos conseguido hacerlo, en JET, por ejemplo. Ya hemos logrado controlar la fusión. Ya sabemos qué necesitamos.

También hemos llegado a un grado de madurez en el que podemos decir que pueden presentarse retrasos tecnológicos similares a los de cualquier otro gran proyecto, pero ya no necesitamos ninguna singularidad científica para desarrollar las nuevas tecnologías en las que estamos trabajando.

El itinerario de EUROfusion prevé que si todo sale como está previsto la fusión nuclear comercial llegue durante la década de los 60. ¿Es una previsión plausible?

Yo creo que es razonable. Hay mucha discusión ahora mismo, incluso dentro de EUROfusion, porque estamos en un punto de inflexión. Nos estamos preguntando cómo podemos integrar en el programa y qué efectos va a tener toda esta inversión privada que se está acercando al mundo de la fusión. Es un debate habitual ahora, y hay varias opiniones.

Las más conservadoras defienden que el programa de fusión público es el más rápido y no se puede acelerar más, y luego estamos los que pensamos que como mínimo toda esta inversión privada va a aumentar el tamaño del mercado, y esto va a provocar que con un mercado mayor la inversión se incremente de manera geométrica.

La inversión atrae más inversión, por lo que al menos deberíamos ser capaces de cumplir los plazos que fija el itinerario de EUROfusion. DEMO debería estar en marcha en la década de los 50, pero no tiene por qué ser un único DEMO. Ni siquiera el DEMO público. Ni el DEMO europeo.

DEMO va a ser la máquina que ya estamos diseñando desde hace unos cuantos años que aprovechará los conocimientos de ITER, IFMIF-DONES, y también de otras máquinas que continúan aportando conocimiento acerca de otras tecnologías que también son interesantes en fusión. Pero cuando esta información esté disponible cualquiera podrá utilizarla para desarrollar un DEMO, una primera central demostradora.

Esto puede hacerlo el sector público, y también puede hacerlo el sector privado con ayuda pública. Es posible, incluso, que Europa haga la suya; Estados Unidos, la suya; China, la suya… Creo, en definitiva, que ese itinerario nos lo podemos creer. Y, además, que podemos hacerlo con optimismo. No me atrevo a decir que vayamos a acelerar la fusión, pero creo que la inversión que se está produciendo puede acelerar movimientos capaces de reforzar el programa que tenemos para que no se retrase.

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