¿Qué es la fusión nuclear? Una fuente de energía casi inagotable para un futuro aún lejano

Era tarde, pero nadie podía irse a la cama. Todo eran sonrisas y palmadas en la espalda a pesar de que el reloj marcaba ya más de la 1 de la madrugada de aquel 5 de diciembre. En esa habitación llena de cables y tecnología punta situada a las afueras de San Francisco (EE. UU.) se acababa de hacer historia. El equipo de investigadores de la National Ignition Facility (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore había logrado dar un pequeño gran paso para hacer realidad la energía de fusión nuclear.

Poco importaba que hiciese más de un siglo que Arthur Eddington hubiese propuesto por primera vez que las estrellas usaban la fusión de núcleos atómicos para generar inmensas cantidades de energía. Ni que hubiesen pasado más de 70 años desde que Andrei Sakharov e Igor Tamm hubiesen desarrollado la idea de que era posible aprovechar esa energía en la Tierra si conseguíamos confinar una pequeña estrella dentro de un potente campo magnético. En el NIF sabían que, por mucho tiempo que se tomase la ciencia, aquel 5 de diciembre de 2022 estaban un poquito más cerca de conseguir el sueño de la fusión nuclear.

A ese primer experimento exitoso se ha unido uno nuevo que tuvo lugar el pasado 30 de julio en el NIF, según fuentes consultadas por el Financial Times y la posterior confirmación del propio laboratorio. Este nuevo éxito llega después de varios intentos fallidos tras lo acontecido a finales de 2022. Los investigadores consultados por 'FT' calculan que los datos iniciales del experimento de julio indican una producción de energía superior a 3,5 MJ, energía suficiente para alimentar una plancha doméstica durante una hora o poner a hervir varios litros de agua.

Son hitos científicos importantes, pero ¿cuánto nos acerca realmente a un mundo en el que el ser humano sea capaz de aprovechar las reacciones de las estrellas para generar energía inagotable y limpia?

¿Qué es la fusión nuclear?

Desde que Arthur Eddington expuso sus ideas en 1920 hasta el experimento del NIF en diciembre del año pasado, la historia de la fusión nuclear está llena de hitos. En las últimas dos décadas, los principales laboratorios de fusión del mundo, como el Joint European Torus (JET) situado en Reino Unido, el Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) de China o el propio NIF, han logrado avances importantes. Mientras, el experimento definitivo, un inmenso dispositivo bautizado como International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), afronta las últimas etapas de su construcción en el sur de Francia.

Los esfuerzos no dejan de multiplicarse para intentar dominar una de las reacciones más energéticas que conocemos. Y es que, a pesar de que la teoría está clara, controlar la fusión nuclear ha resultado ser, hasta ahora, algo tremendamente complejo. “La fusión nuclear es la unión de dos núcleos para formar un nuevo núcleo. Es algo muy difícil, porque los núcleos tienen la misma carga eléctrica y se repelen mutuamente. Pero cuando se logra fusionar dos núcleos ligeros, el núcleo resultante tiene menos masa que la suma de los precursores”, explica Rafael Juárez Mañas, profesor del departamento de ingeniería energética de la UNED e investigador del proyecto ITER.

“Este defecto de masa se libera como energía mediante la famosa expresión de Einstein, energía es igual a masa por la velocidad al cuadrado (E=mc2). Dado el valor excepcional de la velocidad de la luz, un defecto de masa pequeño se manifiesta como una gran energía. Es una fuente de energía formidable”, añade el experto en fusión nuclear. Hasta ahora, la reacción de fusión que se ha probado más asequible es la que implica a un núcleo de deuterio y otro de tritio (dos tipos, o isótopos, de hidrógeno). “La fusión de un gramo de deuterio-tritio libera la misma energía que ocho toneladas de petróleo”, subraya.

Para lograr que estos dos núcleos se fusionen hay que conseguir que choquen a alta velocidad. A tanta, que las temperaturas que se manifiestan durante el proceso llegan incluso a superar a las del núcleo del Sol. Durante este proceso, la materia está en estado de plasma, un gas cargado de energía eléctrica. Y trabajar con este plasma, que tiende a dispersarse, ha sido el gran quebradero de cabeza de los investigadores en fusión nuclear. Para lidiar con él, ha habido dos grandes aproximaciones:

• Fusión por confinamiento inercial, como la usada en la National Ignition Facility (NIF). Para contener el plasma, se generan densidades muy altas durante fracciones de segundo, un medio tan denso del que las partículas no consiguen escapar.
• Fusión por confinamiento magnético, como el usado en el JET o el que se pondrá a prueba en el ITER. Es, en muchos sentidos, un enfoque contrario al anterior. Busca crear un plasma de baja densidad confinado durante largos periodos de tiempo. Para contener las partículas de plasma en un espacio reducido, se utiliza un potente campo magnético.

¿Es la fusión nuclear una energía limpia e ilimitada?

La fusión y la fisión nuclear comparten apellido, pero son dos fuentes de energía bastante diferentes. La segunda, la que alimenta las centrales nucleares que tenemos actualmente en uso en el planeta, es una fuente de energía que no genera emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Sin embargo, tal como explican desde la Agencia Internacional de la Energía Atómica, sí genera residuos inestables, algunos de los cuales son radiactivos durante millones de años. La fusión, por otro lado, no crea ningún desecho nuclear radiactivo de larga duración.

Esto no quiere decir que un reactor de fusión no produzca residuos radiactivos. En su mayoría, produce helio, que es un gas inerte. Además, produce tritio, que sí es radiactivo, pero tiene una vida corta y se genera en pequeñas cantidades. “La fusión nuclear será una actividad industrial y, como tal, tendrá sus residuos”, explica Rafael Juárez Mañas. “Gestionarlos de forma adecuada y segura es lo que convertirá a la fusión nuclear en una actividad industrial limpia”.

Además de limpia, otro de los adjetivos que suele acompañar a la energía de fusión nuclear es el de ilimitada. Sin embargo, aunque será lo más parecido a una fuente inagotable de energía que hemos fabricado los seres humanos (si finalmente lo logramos), no será infinita. “La fusión genera tanta energía con tan poco combustible que resulta virtualmente ilimitada”, añade Juárez Mañas. “La fusión de deuterio-tritio tiene algunas limitaciones a largo plazo, como la disponibilidad de litio para reproducir el tritio”. Además, más allá del laboratorio, la fusión se enfrentará a otros límites económicos y sociales.

El futuro de la energía de fusión nuclear

La carrera de la fusión nuclear es lenta y está plagada de desafíos científicos y tecnológicos. Los hitos alcanzados hoy fueron diseñados y concebidos hace décadas, por lo que es imposible estimar cuándo la fusión dejará de ser un experimento para convertirse en una fuente de energía útil para la humanidad. “Los hitos actuales son chispas, liberaciones súbitas de energía. Lo siguiente que necesitamos es una llama: un plasma que genere más energía de la que consume, de manera sostenida en el tiempo”, detalla el profesor de la UNED. “Ese es el objetivo de ITER y luego ya vendrá el motor que se mueve con esa llama: un reactor que produzca electricidad, bautizado como DEMO”.

Ahora mismo, casi todos los caminos en el futuro cercano de la fusión nuclear llevan a ITER. Esta instalación internacional (desde 1985 colaboran en ella China, Corea del Sur, EE. UU., India, Japón, Rusia y la Unión Europea) tiene unos objetivos muy ambiciosos, como generar un plasma estable en el que las condiciones de fusión se mantienen durante largos periodos, lograr producir tritio, mantener reacciones capaces de producir mucha más energía de la que necesitan para funcionar o poner a prueba el funcionamiento de una futura central de fusión.

El ITER lleva en construcción desde 2010 y, si nada se tuerce, se encenderá a finales de 2025. Los primeros años se dedicarán a estudiar el confinamiento del plasma y la primera reacción de fusión entre tritio y deuterio no se espera hasta 2035, como pronto. Una vez concluidos estos experimentos, será el momento de usar los datos recabados para el primer prototipo de reactor de fusión, bautizado como DEMO (Centro Eléctrica de Demostración). Si todo sale bien, se podrán empezar a construir los reactores comerciales. Es decir, hablamos de un horizonte temporal todavía muy lejano, sea cual sea el desarrollo de los experimentos en curso.