Energía limpia: fusión nuclear
La Física es esa ciencia que trata de comprender lo que ocurre a nuestro alrededor, a veces, por el mero hecho de querer saber más, por esa naturaleza curiosa que define al ser humano. Pero en muchas otras ocasiones lo hacemos por mejorar el mundo que nos rodea y dejar un legado a las generaciones que vienen. Estamos viviendo una época complicada para nuestro planeta: el clima cambia a peor y los culpables somos nosotros. Miles de científicos de todos los campos trabajan por encontrar soluciones, en este post te cuento el arma más poderosa que tiene la Física para hacer frente a esta odisea.
Energía en el mundo
La demanda global energética está aumentando en los últimos años principalmente debido al crecimiento demográfico y económico. El continuo desarrollo de la sociedad moderna requiere que las fuentes de energía sean sostenibles y respetuosas con el medio ambiente. Sin embargo, hoy en día más del 80% de la energía mundial proviene de combustibles fósiles [1], incluyendo carbón, petróleo y gas natural, que están limitados en reserva. Además, las emisiones de CO2 de este tipo de energía es la principal contribución al aumento del efecto invernadero y tiene un impacto importante en el cambio climático. Se sabe que para nuestro entorno de vida el nivel asequible de aumento de la temperatura media por encima de los niveles antes de la era industrial es de 2 °C, más allá del cual es irreversible y casi se espera que ocurra un cambio climático catastrófico e incontrolable. Este aumento ya ha alcanzado los 0.78 °C [2]. Por lo tanto, es urgente encontrar una manera de reducir la energía relacionada con los combustibles fósiles. Un alivio a corto plazo sería el desarrollo de nuevas tecnologías para reducir las emisiones de CO2 de las plantas de energía fósil y mejorar el almacenamiento de anhídrido carbónico a gran escala, mientras que una solución a largo plazo debería considerar las alternativas a los combustibles fósiles. Los candidatos con recursos suficientes para hacerse cargo del abastecimiento son la energía solar, la fisión y la fusión nucleares [3]. La energía solar es teóricamente amplia e inagotable, pero su intermitencia (luz solo en días sin nubes) y la baja densidad energética (se requiere una gran superficie) hacen difícil construir una planta de energía solar para producir una cantidad significativa de energía base. La fisión nuclear es una fuente de energía bien establecida y ha estado produciendo electricidad de carga base durante décadas. Sin embargo, la eliminación de los residuos nucleares de larga y media vida junto al riesgo de accidente debido a la reacción en cadena intrínseca de la fisión nuclear ha sido durante mucho tiempo una preocupación pública. La fusión nuclear promete una solución limpia y segura para nuestras necesidades energéticas a largo plazo [3].
Primero, las reservas de combustible son abundantes. Para la reacción se necesitan deuterio y tritio, el deuterio puede ser extraído del agua de mar; el tritio no se produce de forma natural, pero puede ser obtenido a partir del isótopo de litio 6Li. Segundo, las reacciones de fusión nuclear no emiten gases de efecto invernadero o cualquier otro daño químico a la atmósfera. Tercero, la fusión nuclear es intrínsecamente segura. El combustible de fusión se introduce continuamente en el reactor a una velocidad que sostiene la reacción durante sólo unas pocas decenas de segundos en cada instante. La reacción de fusión sólo puede ocurrir bajo una temperatura muy alta y un campo de confinamiento suficientemente preciso y sin reacción en cadena. Cualquier manipulación incorrecta detendrá la reacción.
¿En qué consiste la fusión nuclear?
Los átomos nunca descansan: cuanto más calientes están, más rápido se mueven. En el núcleo del Sol, donde las temperaturas alcanzan los 15.000.000 °C, los átomos de hidrógeno están en un estado constante de agitación. Al chocar a velocidades muy altas, la repulsión electrostática natural que existe entre las cargas positivas de sus núcleos es superada y los átomos se fusionan. La fusión de los átomos de hidrógeno ligeros produce un elemento más pesado, el helio.
Sin embargo, la masa del átomo de helio resultante no es la suma exacta de los átomos iniciales, ya que se ha perdido algo de masa y se han ganado grandes cantidades de energía. Esto es lo que describe la famosa fórmula de Einstein $E=mc^2$: la minúscula cantidad de masa perdida ($m$), multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz ($c^2$), da como resultado una cifra muy grande ($E$), que es la cantidad de energía creada por una reacción de fusión.
Cada segundo, nuestro Sol convierte 600 millones de toneladas de hidrógeno en helio, liberando una enorme cantidad de energía. Pero sin el beneficio de las fuerzas gravitacionales que actúan en nuestro Universo, lograr la fusión en la Tierra ha requerido un enfoque diferente.
Como veremos más adelante, la ciencia de fusión del siglo XX identificó que la reacción de fusión más eficiente en el entorno del laboratorio es la reacción entre dos isótopos de hidrógeno (H), el deuterio (D) y el tritio (T). La reacción de fusión DT produce la mayor ganancia de energía a las temperaturas “más bajas”. No obstante, requiere temperaturas de 150.000.000 de grados centígrados, diez veces más altas que la reacción de hidrógeno que se produce en el Sol.
Los protones y neutrones en el núcleo se mantienen unidos por la fuerza nuclear de corto alcance. La energía requerida para desmontar un núcleo se llama energía de enlace. La figura 1 muestra que el promedio de la energía de enlace varía entre elementos; tanto los núcleos más ligeros como los más pesados tienen un promedio bajo y los núcleos de masa intermedia tienen la mayor energía de unión. Esto muestra que la energía nuclear puede obtenerse tanto por la división de núcleos pesados (fisión) como fusionando los núcleos ligeros (fusión).
Para lograr una reacción de fusión, dos núcleos necesitan ganar suficiente energía cinética como para superar la repulsión de Coulomb y alcanzar el régimen de fuerza nuclear de corto alcance. La primera fusión se realizó experimentalmente bombardeando sobre un deuterio objetivo (2H o D) con un rayo de deuterio [4], justo después del descubrimiento del deuterio (el isótopo de hidrógeno de masa dos [5]). Fue durante estos experimentos que el tercer isótopo de hidrógeno, el tritio (3H o T), se descubrió. Después de este logro, el uso de la fusión nuclear como fuente de energía fue considerado. Sin embargo, se reconoció que bombardear un objetivo con un chorro acelerado de partículas no es factible para la generación de energía, porque la energía utilizada para la aceleración de la partícula es mucho mayor que la energía producida por la reacción de fusión nuclear y la mayoría de las partículas aceleradas no daban en el objetivo.
Hoy en día, generalmente, se acepta que la forma más factible para la producción efectiva de energía con fusión nuclear es calentar los combustibles de fusión a alta temperatura, para que las partículas se acerquen con un fuerte movimiento térmico y una reacción nuclear pueda tener lugar. A tan alto nivel de temperatura, los combustibles de fusión están ionizados y en un estado llamado plasma. La figura 2 muestra las secciones transversales (probabilidad de que ocurra una reacción nuclear) de diferentes reacciones nucleares. Podemos ver que la reacción más prometedora es entre el deuterio y el tritio produciendo el neutrón y una partícula $\alpha$.
\[D+T\rightarrow\mathrm{^{4}He}\;(3.5\;\mathrm{MeV})+n\;(14.1\;\mathrm{MeV})\]La energía producida es transportada como energía cinética por el neutrón y la partícula $\alpha$.
Uno de los objetivos fundamentales para obtener energía de fusión es mantener el alta temperatura, no con el calentamiento externo sino con la energía producida por la reacción nuclear en sí. Este proceso se llama ignición. Para alcanzar la ignición, el criterio de Lawson [6] predice que debe cumplirse la siguiente condición:
\[nT\tau_e\geq3\times10^{21}\:\mathrm{keVs/m^{3}}\]donde $n$ es la densidad del plasma, $T$ es la temperatura y $\tau_e$ es el tiempo de confinamiento produciendo energía. Este triple producto sugiere que para generar energía de forma efectiva a partir de la fusión nuclear, el plasma necesita estar confinado a muy alta temperatura por un tiempo suficientemente largo con alta densidad. Hay principalmente dos formas de conseguir energía de fusión controlada: el confinamiento magnético y el confinamiento inercial.
¿Cómo se almacena plasma a millones de grados centígrados?
El método más avanzado experimentalmente y que mejores resultados ha dado es el llamado confinamiento magnético. Como su nombre nos deja intuir consiste en atrapar el plasma caliente usando campos magnéticos muy potentes generados por bobinas superconductoras. Actualmente, existen dos tipos principales de reactores de fusión: los tokamak y los stellarator.
Tokamak
Consiste en un complejo sistema de campos magnéticos que confinan el plasma de partículas cargadas reactivas en un contenedor hueco en forma de donut. El tokamak (un acrónimo de las palabras rusas para el confinamiento magnético toroidal) fue desarrollado a mediados de la década de 1960 por los físicos de plasma soviéticos. Produce las temperaturas, densidades y duraciones de confinamiento de plasma más altas que cualquier otro dispositivo de confinamiento.
Se puede apreciar la forma de donut y en color rosa tendríamos el plasma confinado.
Stellarator
Son similares en principio a los tokamaks, han sido durante mucho tiempo caballos oscuros en la investigación de la energía de fusión porque los tokamaks son mejores para mantener el gas atrapado y retener el calor necesario para mantener las reacciones en marcha. La diferencia principal radica en su forma de contener al plasma, enrevesada y con giros.
En ausencia de una gran corriente en el plasma, un stellarator tiene una inherente capacidad de funcionamiento, superior a la del tokamak, en estado estacionario y no hay riesgos de fuertes inestabilidades debidas a la corriente, como por ejemplo las disrupciones. Más allá de estas ventajas evidentes, los stellarators tienen que demostrar aún su potencial como futuros reactores.
¿Qué hemos conseguido hasta ahora?
A día 4 de agosto de 2020 que estoy escribiendo este post, tan solo se han logrado reacciones nucleares de fusión experimentales. Esto significa que la energía usada para lograrlas es mayor que la producida por estas, pero es algo increíble para la humanidad ya que demuestra que el marco teórico es correcto y que es posible conseguirlo. Tan solo se necesitan reactores más grandes y tecnología más avanzada.
El tokamak Tore Supra en Francia tiene el récord de mayor duración de confinamiento de plasma: 6 minutos y 30 segundos. El JT-60 japonés logró el valor más alto de producto triple de fusión (criterio de Lawson) -densidad, temperatura, tiempo de confinamiento- de cualquier dispositivo hasta la fecha. Las instalaciones de fusión de los EE.UU. han alcanzado temperaturas de varios cientos de millones de grados centígrados.
Logros como estos han llevado a la ciencia de la fusión a un umbral emocionante: el tan buscado punto de equilibrio de la energía del plasma (Q=1). El punto de equilibrio describe el momento en que los plasmas en un dispositivo de fusión liberan al menos tanta energía como la requerida para calentarlos. El punto de equilibrio de la energía del plasma nunca se ha alcanzado: el récord actual de liberación de energía lo ostenta JET, que logró generar 16 MW de energía de fusión, por 24 MW de energía utilizada para calentar el plasma (una relación Q de 0,67). Los científicos han diseñado ahora el dispositivo del siguiente paso -ITER- como un dispositivo Q ≥ 10 (produciendo 500 MW de energía de fusión para 50 MW consumidos por los sistemas de calefacción).
ITER
ITER (“El Camino” en latín) es uno de los proyectos energéticos más ambiciosos del mundo hoy en día.
En el sur de Francia, 35 naciones están colaborando para construir el tokamak más grande del mundo, un dispositivo de fusión magnética que ha sido diseñado para probar la viabilidad de la fusión como una fuente de energía a gran escala y libre de carbono basada en el mismo principio que alimenta nuestro Sol y las estrellas.
La campaña experimental que se llevará a cabo en el ITER es crucial para avanzar en la ciencia de la fusión y preparar el camino para las plantas de energía de fusión del mañana.
El ITER será el primer dispositivo de fusión para producir energía neta, el primer dispositivo de fusión que mantendrá la fusión durante largos períodos de tiempo y el primer dispositivo de fusión que probará las tecnologías integradas, los materiales y los regímenes físicos necesarios para la producción comercial de electricidad basada en la fusión.
El pasado 28 de julio se comenzó la fase de ensamblaje del reactor. Se espera que comiencen las pruebas con plasma en 2025 y las pruebas de fusión Deuterio-Tritio en 2035.
Bonus: mi trabajo sobre fusión nuclear
Os comparto un trabajo que hice para la asignatura Física del Plasma. En él hablo sobre el otro tipo de reactores, los stellarators. Además también os dejo todo el código fuente con la documentación, tablas de datos y figuras usadas (Github).
Referencias
- AGENCY, I. E., World Energy Outlook 2019, World Energy Outlook, OECD, 2019.
- STOCKER, T. F., QIN, D., PLATTNER, G.-K., et al., Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, pp. 3–29, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2013.
- FREIDBERG, J. P., Plasma physics and fusion energy, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2008.
- OLIPHANT, M. L. E., HARTECK, P., and RUTHERFORD, E., Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character 144 (1934) 692.
- UREY, H. C., BRICKWEDDE, F. G., and MURPHY, G. M., Phys. Rev. 40 (1932) 1.
- LAWSON, J. D., Proceedings of the Physical Society. Section B 70 (1957) 6.