Ya es hora de separar el grano de la paja en la fusión nuclear: este es el camino que nos queda para alcanzarla

La fusión nuclear está, ahora más que nunca, en el centro de atención. Y lo está por partida doble. Por un lado el Departamento de Energía (DOE) de Estados Unidos ha confirmado oficialmente que el experimento NIF (National Ignition Facility) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ha alcanzado por primera vez la rentabilidad energética. Es un hito muy esperado, y, sobre todo, crucial en el itinerario de esta tecnología de fusión.

Pero esto no es todo. Hace apenas tres meses comenzó en Escúzar, una localidad de Granada, la construcción de los edificios que albergarán los dos aceleradores de partículas lineales de IFMIF-DONES. Esta instalación tendrá un papel fundamental en el camino hacia la energía de fusión mediante confinamiento magnético. Y, de paso, pondrá a España en el mapa de los países que tienen centros de investigación de referencia mundial.

La fusión nuclear nos promete algo muy importante: energía eléctrica en grandes cantidades, limpia, segura, y, además, presumiblemente barata. Suena muy bien. Los hitos de los últimos años nos invitan a ser razonablemente optimistas acerca de la viabilidad de esta tecnología, pero no debemos pasar por alto que tanto la fusión mediante confinamiento inercial como la que recurre al confinamiento magnético deben resolver aún desafíos muy importantes.

Dónde está la fusión por confinamiento inercial ahora y qué le queda por resolver

Para entender por qué es importante el logro que acaban de alcanzar los investigadores del experimento NIF y qué representa realmente merece la pena que repasemos brevemente en qué consiste la fusión nuclear mediante confinamiento inercial. El punto de partida de las dos estrategias de fusión que se están desarrollando actualmente es exactamente el mismo: la fusión de un núcleo de deuterio y otro de tritio nos permite obtener una gran cantidad de energía.

Estos dos elementos químicos son isótopos del hidrógeno, pero el primero de ellos, el deuterio, es relativamente abundante y fácil de obtener, mientras que el otro, el tritio, es muy escaso y tiene que ser producido de manera artificial. Además, es radiactivo. Para conseguir que los núcleos de estos dos elementos venzan su repulsión eléctrica natural y se fusionen la estrategia de confinamiento inercial recurre a una gran cantidad de láseres de alta energía.

El combustible constituido por los núcleos de deuterio y tritio se introduce en un encapsulado de diamante en forma de microbola y se coloca en el interior de una cámara esférica en cuyas paredes de aluminio de 10 cm de espesor están distribuidos nada menos que 192 láseres de alta energía muy sofisticados. Su propósito es concentrar de forma simultánea y abrupta toda su energía en el contenido de la cápsula para que el combustible se caliente, se condense y se comprima de forma súbita, dando lugar así a la fusión de los núcleos de deuterio y tritio.

La razón por la que la cápsula es de diamante es que este mineral optimiza la absorción de los rayos X que provocan la condensación de los núcleos de estos dos isótopos del hidrógeno. Los primeros experimentos en NIF se llevaron a cabo en 2009, pero las primeras pruebas relativamente exitosas no llegaron hasta 2014. El problema era que en aquellos tests la cantidad de energía generada mediante la reacción de fusión era muy baja, por lo que la rentabilidad energética quedaba aún abrumadoramente lejos debido a que era necesario invertir en el proceso mucha más energía de la que la fusión podría entregar.

Desde entonces los científicos involucrados en NIF se han dedicado sobre todo a optimizar los láseres y el encapsulado que contiene el combustible, pero también han continuado haciendo pruebas. El 8 de agosto de 2021 llevaron a cabo una especialmente exitosa. Y es que lograron generar 1,3 megajulios de energía. Era una cifra muy superior a las que habían obtenido en los experimentos anteriores, pero seguía sin ser suficiente para alcanzar la rentabilidad energética debido a que los láseres para funcionar requieren una energía de 2,05 megajulios.

Y, por fin, llegamos al hito que acabamos de presenciar. Por primera vez el experimento NIF ha conseguido devolver una cantidad de energía superior a la que ha sido necesaria invertir para desencadenar la fusión de los núcleos de deuterio y tritio del combustible. En un principio los primeros datos apuntaban que NIF había generado 2,5 megajulios de energía, lo que equivale a un beneficio energético neto del 20%. Sin embargo, los datos oficiales que ha confirmado el DOE son aún mejores. Y es que asegura que NIF ha entregado en esta prueba una energía de 3,15 megajulios, lo que equivale a un beneficio energético del 35%.

Este hito es muy importante, y, además, nos invita a contemplar la energía de fusión mediante confinamiento inercial con un optimismo muy razonable, pero esto no significa en absoluto que ya esté todo hecho. Para nada. Todavía quedan desafíos muy importantes que es imprescindible resolver, y hasta que no estén bien atados no podremos tener centrales eléctricas con reactores de fusión mediante confinamiento inercial.

Hay quien ya está aventurando la fecha en la que llegarán, pero, en realidad, nadie sabe con certeza cuándo estarán listas. Eso sí, podemos estar seguros de que tardarán varias décadas, y difícilmente llegarán antes de la década de los 50.

El experimento NIF ya ha demostrado que la fusión nuclear mediante confinamiento inercial funciona, y también que esta tecnología nos permite obtener un beneficio energético neto. Sin embargo, todavía tiene que lidiar con el neutrón de alta energía (aproximadamente 14 MeV) resultante de la fusión de un núcleo de deuterio y otro de tritio. Esta partícula sale despedida hacia las paredes de la cámara, y, debido a su energía, provoca un daño muy específico en los materiales del reactor.

Hoy en día no existen bancos de prueba diseñados para probar los materiales candidatos a ser utilizados en los futuros reactores de fusión nuclear, pero en 2033, si todo va como está previsto, estarán listas las instalaciones del proyecto IFMIF-DONES en Granada. Precisamente esta iniciativa persigue, entre otras cosas, probar y certificar los materiales que se utilizarán en los reactores de fusión comerciales.

De hecho, del conocimiento que presumiblemente nos entregará este proyecto se beneficiará tanto la fusión mediante confinamiento magnético del futuro reactor de demostración DEMO, como la fusión mediante confinamiento inercial que nos propone el experimento NIF. En cualquier caso, este no es el único desafío que es necesario resolver.

Otro de los retos relevantes consiste, como nos explicó Carlos Alejaldre, el exdirector general del CIEMAT, durante la conversación que mantuvimos con él a mediados del pasado mes de abril, en desarrollar el respaldo tecnológico necesario para garantizar al reactor un suministro de microbolas de combustible continuo, preciso y muy rápido de al menos diez cápsulas por segundo. De lo contrario la entrega de energía del reactor no podrá sostenerse en el tiempo y su propósito se irá al garete.

Además, cuando estos y otros desafíos tecnológicos estén resueltos será necesario diseñar y construir una central eléctrica de demostración equipada con un reactor de fusión mediante confinamiento inercial, que, entre otros retos, proponga cómo generar electricidad a partir de los pulsos energéticos que entrega el reactor. Esta instalación será equiparable a DEMO, que será la central de demostración dotada de un reactor de fusión mediante confinamiento magnético que recogerá todo el conocimiento entregado por ITER e IFMIF-DONES.

Dónde está la fusión por confinamiento magnético y qué tiene pendiente

Esta es la otra cara de la moneda con la que estamos jugueteando. La fusión nuclear mediante confinamiento magnético propone, muy a grandes rasgos, confinar el plasma a 150 millones de grados Celsius que contiene los núcleos de deuterio y tritio en el interior de un campo magnético muy intenso.

Esta sopa de partículas se encuentra encerrada en el interior de una cámara de vacío con una geometría particular: la de un toroide. De hecho, los reactores experimentales de fusión mediante confinamiento magnético que se han construido o están en desarrollo, como JET, que está alojado en Oxford (Inglaterra), o ITER, son de tipo tokamak.

El desarrollo que ha experimentado esta tecnología durante las últimas dos décadas ha sido muy notable, lo que nos invita, al igual que la fusión mediante confinamiento inercial, a mirar hacia delante con optimismo. El gran proyecto público de energía de fusión mediante confinamiento magnético es ITER, y en él participan la Unión Europea, Estados Unidos, Rusia, China, India, Japón y Corea del Sur. Ahí es nada.

También hay iniciativas privadas muy prometedoras, como, por ejemplo, el reactor SPARC que están desarrollando el MIT y la empresa CFS (Commonwealth Fusion Systems). De hecho, prevén tener su primer prototipo listo en 2025. Sin embargo, y pese a lo mucho que se ha desarrollado durante los últimos años, la fusión nuclear mediante confinamiento magnético también tiene por delante un camino largo que obligará a los investigadores a sortear varios desafíos.

El confinamiento magnético ya ha demostrado que es una forma muy eficaz de hacer fusión. Y, además, también que esta estrategia nos permite obtener grandes cantidades de energía. De hecho, JET, que hasta que entre en operación ITER ejerce como instalación de referencia, ha conseguido generar 59 megajulios de energía durante 5 segundos empleando el mismo combustible que utilizará ITER: deuterio y tritio.

La pelota ahora está en el tejado de ITER. Su propósito cuando esté terminado y comiencen las primeras pruebas con plasma (iban a arrancar en 2025 pero es posible que se retrasen un poco) será demostrar que la fusión nuclear es una herramienta ideal para generar grandes cantidades de energía de una manera limpia y segura. Después, IFMIF-DONES, como hemos visto, tendrá un rol fundamental en la búsqueda de los materiales ideales para soportar la incidencia de los neutrones rápidos.

Por el camino los investigadores que están trabajando en la fusión mediante confinamiento magnético tendrán que solventar las dificultades que conlleva el control del plasma debido, sobre todo, a la aparición de turbulencias. Y también tendrán que refinar algunas partes especialmente delicadas del reactor, como, por ejemplo, el divertor, que es el "tubo de escape" por el que salen las impurezas que no deben involucrarse en la reacción de fusión.

Como he mencionado más arriba, todo lo aprendido con ITER e IFMIF-DONES se aplicará en DEMO, que será el reactor de energía de fusión que tendrá que demostrar su viabilidad a la hora de generar electricidad. Y después, si todo va como está previsto, llegarán las centrales eléctricas de fusión. Esta es la gran pregunta: ¿cuándo estarán listas?

Según EUROfusion las primeras se empezarán a construir durante la década de los 60. Y sí, es una previsión plausible porque, como nos ha explicado Moisés Weber, uno de los máximos responsables de IFMIF-DONES en España, actualmente estamos encarando el último escalón de la fusión nuclear. Quedan retos importantes por resolver, y será necesario afrontar grandes esfuerzos, pero ahora más que nunca tenemos las herramientas adecuadas para llevar a buen puerto esta tecnología tan apasionante.

Imágenes: LLNL

Más información: LLNL | DOE