"¿Qué diferencia hay entre fisión nuclear y fusión nuclear? "

La energía nuclear es la que proviene del núcleo del átomo en el que entra en juego la fuerza nuclear fuerte, al contrario que la electricidad, que se genera por el movimiento de los electrones de las capas más externas de los átomos por la fuerza electromagnética. Esta energía levanta pasiones y odios a partes iguales. Una de las razones es que, cuando se habla de energía nuclear sin contexto específico, nadie tiene claro si es la de fisión o la de fusión.

El estudio de ambas fórmulas de generar energía nuclear comenzó en los años 30 del siglo pasado y, mientras que la energía de fisión nuclear a día de hoy genera un 10% de la energía mundial, según la International Energy Agency (IEA, por sus siglas en inglés), la fusión nuclear no está lo suficientemente desarrollada como para suministrar energía a escala. Para ser sinceros, eventos en los cuales se haya generado más energía mediante fusión nuclear de la que se ha necesitado para que la fusión ocurra, han sucedido dos veces desde hace casi 100 años que se comenzó a investigar en ella. Las dos ocasiones han tenido lugar en el Lawrence Livermore National Laboratory en Livermore (California - USA), la primera el 5 de diciembre de 2022 y la segunda el 30 de julio de 2023.

Los mecanismos de generación de energía nuclear

Aquí proponemos una breve explicación de las diferencias entre las dos formas de energía nuclear. Aunque el principio que rige las dos “energías” es el mismo, el de la repulsión electromagnética de los protones (partículas cargadas positivamente) entre sí:

• La fisión nuclear ocurre cuando el núcleo de un átomo muy pesado como por ejemplo el del uranio, que tiene muchos neutrones y protones, tras el impacto de un neutrón el núcleo se divide. Los protones del núcleo, que se están repeliendo entre sí porque son muchos y confinados en un espacio muy pequeño, aprovechan este “empujón” del neutrón externo para separarse y formar dos núcleos independientes más pequeños. En este proceso se libera energía que es captada y utilizada para calentar agua (u otros materiales) que mueve turbinas que a su vez generan electricidad.
• La fusión nuclear se produce cuando se consigue vencer la repulsión de dos protones y estos se fusionan para crear un nuevo núcleo más pesado a partir de dos independientes. En este caso los núcleos originales son muy pequeños (un protón y uno o dos neutrones) y el resultante es también pequeño, un núcleo de helio que tiene dos protones y dos neutrones. Este proceso también libera energía.

¿Por qué una funciona y la otra no?

¿Por qué en un caso se puede aprovechar esa energía y en el otro no? Porque en el caso de la fisión únicamente es necesario “empujar” un neutrón para que choque contra un núcleo, y en el de la fusión es necesario vencer la repulsión electromagnética entre dos protones. Para poder vencer esta repulsión, hay que calentar una mezcla de deuterio y tritio a unos 200 millones ºC (10 veces la temperatura del núcleo del Sol) para conseguir un plasma donde los núcleos y los electrones se separan y dejan de formar átomos y tras ello comienzan a moverse a altas velocidades. Adicionalmente, es necesario generar un campo magnético positivo que haga que los protones se junten los unos con los otros. Tanto el aumento de la temperatura como la generación del campo magnético consumen ingentes cantidades de energía.

La siguiente diferencia entre las “energías” es que, mientras la energía de fisión es un proceso continuo que se inicia con las divisiones de los primeros núcleos y se mantiene activa mientras sigan ocurriendo choques de los neutrones generados en la fisión con los siguientes núcleos; en la de fusión, mantener las condiciones previamente mencionadas se logra solo durante fracciones de segundo de manera que el proceso de generación de energía resulta pulsado.

Hay muchos retos tecnológicos que complican tanto el sueño de la fusión nuclear: materiales que sean capaces de aguantar las condiciones adversas que se producen dentro de los reactores, imanes superconductores que trabajen a baja latencia y alta temperatura, la capacidad de liberar la temperatura interna del reactor en pocos segundos para poder volver a cargarlo de “combustible”, construir el reactor con materiales que sean capaces de aguantar el bombardeo continuo por neutrones liberados en la reacción, la capacidad de absorber la cantidad de energía producida en poco tiempo pero con mucha intensidad, entre otros.

Los residuos

Entrando en el incómodo tema de los residuos, hay que decir que ambas “energías” producen residuos radiactivos, aunque de dos formas distintas.

La fisión nuclear genera residuos radiactivos a partir del combustible exhausto del reactor; es decir, de núcleos inestables que se descomponen emitiendo radioactividad pero generando tan poca energía que no es utilizable. Aún así, los elementos siguen emitiendo radiación que es peligrosa para la vida durante los miles de años que tarda el proceso en apagarse del todo.  Por ello, estos materiales tienen que almacenarse en contenedores sellados que impidan  que la radiación salga al exterior. 

La fusión nuclear genera materiales radioactivos ya que tanto la parte interior del reactor, como las inmediaciones del mismo, están siendo constantemente bombardeadas por neutrones. Parte de estos materiales se desgastan con el uso, lo que requiere su sustitución con cierta regularidad. Estos residuos radiactivos emiten radiación pero durante un tiempo menor, cientos de años, por lo que hay que tenerlos almacenados con una seguridad semejante al caso anterior, pero durante menos años.

Lo que viene ahora

Según la Agencia Internacional de la Energía, para que se pueda cumplir su escenario de emisiones netas cero en 2050 la capacidad de generación de energía a partir de la fisión nuclear debería duplicarse. Para ello va a ser necesario dar un paso en la generación de la energía nuclear.

La energía nuclear, tanto fisión como fusión, está evolucionando mediante la modificación de los reactores en los que ocurre:

En el primer caso (fisión), la nueva generación de reactores son los SMR por sus siglas en inglés (Small Modular Reactors), que está siendo diseñada para mejorar la seguridad, reducir su tamaño, mejorar su diseño exterior, reducir los costes, la toxicidad y la cantidad de los residuos mediante el uso de otros combustibles distintos al uranio y mejorando su rendimiento.

En el segundo caso (fusión), las startups que están surgiendo alimentadas por capital público-privado, están alejándose del famoso “donut” o tokamak por sus siglas en ruso (toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami) que fue el diseño original de un reactor de fusión nuclear realizado en 1934 para tener otras formas y tecnologías. Imanes superconductores a altas temperaturas, calentamiento del combustible mediante láseres o técnicas similares a las de los hornos microondas, todo ello forma parte de los nuevos reactores.