Recientemente, hemos conocido una de las grandes noticias científicas que nos deja este 2022. Desde Estados Unidos anunciaban que habían conseguido por primera vez un balance positivo de energía mediante fusión nuclear. Es decir, habían logrado extraer más energía de la que se suministró al combustible. Esto es algo que se ha estado intentando durante 60 años y que era necesario para demostrar que, efectivamente, esta podría ser una nueva forma de obtener electricidad en un futuro.
Es, por lo tanto, un gran hito de la ciencia, pero plantea muchas preguntas. Por eso, para encontrar las respuestas, en Hipertextual nos hemos puesto en contacto con el doctor Rafael Juárez Mañas, profesor del departamento de ingeniería energética de la UNED, experto en fusión nuclear e investigador del proyecto ITER.
Hemos hablado con él sobre el pasado, el presente y el futuro de la fusión nuclear. Se trata de una forma de obtención de energía con mucho recorrido por delante, aunque eso no quiere decir que no haya que tomar ciertos mensajes con cautela. Con optimismo, sí, pero también desde la prudencia.
¿Qué es la fusión nuclear?
La fusión nuclear es la forma que tiene las estrellas, como el Sol, de obtener la energía suficiente para mantenerse encendidas. Al contrario que la fisión de los reactores nucleares tradicionales, no se dividen los núcleos de átomos pesados en otros más pequeños, sino que los núcleos de átomos muy ligeros se fusionan para dar lugar a uno más pesado. Se trata de una reacción que, si se da con unas condiciones adecuadas, libera muchísima energía. Sin embargo, si bien en el Sol ocurre fácilmente, gracias a las condiciones extremas de temperatura y confinamiento gravitatorio, en la Tierra no es fácil de conseguir.
Esos átomos ligeros, que normalmente son dos isótopos del hidrógeno, llamados tritio y deuterio, se deben mantener en un estado conocido como plasma y se deben confinar de tal manera que se garantice una colisión entre ellos. Y para eso, durante muchos años, se han estado probando diferentes opciones, hasta dar con las que se consideran las dos aproximaciones más eficaces: la magnética y la inercial.
“El confinamiento magnético consiste en mantener plasmas durante tiempos largos a densidades bajas con campos magnéticos”, explica Juárez Mañas. “En cuanto al inercial, consiste en lo opuesto: densidades altísimas, aunque sea durante tiempos muy cortos”. El profesor de la UNED señala también que “eso último se intentó hacer con haces de partículas y de algunas otras formas, pero la manera más exitosa de momento es con láseres”.
Justamente ha sido con láseres como lo han conseguido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), de donde han llegado las últimas noticias. Ahora bien, ¿significa eso que la aproximación inercial vaya a ir siempre por delante de la magnética? No tan deprisa.
Tenemos una chispa: ahora hace falta una llama
Juárez Mañas incide en que hace 60 años o más que comenzó a intentarse este hito de la fusión nuclear. Hasta el pasado 5 de diciembre se han estado desarrollando tecnología que permitan acceder al rango de presión, temperatura y confinamiento que la física nos indica para tener un balance de energía positivo mediante fusión nuclear. Todo este tiempo se han estado mejorando las máquinas (dispositivos formidables) y los científicos que trabajan en ello se han ido acercando con un éxito creciente. E identificando nuevos retos tecnológicos en cada paso adelante. Tanto las que emplean la aproximación inercial como las que recurren a la magnética.
Finalmente, se ha logrado con la máquina del LLNL, que usa aproximación inercial, con láseres. “Hay que felicitar al laboratorio, al equipo implicado y a los cientos, si no miles, de científicos e ingenieros involucrados”, relata Juárez Mañas. “Han demostrado que no existe una ley física que nos impida desarrollar la fusión nuclear como fuente de energía y lo han hecho con contundencia”. Esto supone un espaldarazo definitivo a la investigación en este campo: es viable. “En toda la comunidad estamos de celebración”.
No obstante, es importante destacar que la tecnología empleada en este hito no es muy escalable. Es decir, no podría llevarse fácilmente a una escala que permita realmente obtener energía suficiente para producir electricidad. “Ha sido una cosa que se puede hacer una vez al día, y con un coste de decenas de miles de dólares, pero con eso no enciendes una bombilla, porque es solo una chispa cara al día”, aclara el experto. “Convertir esta tecnología en una llama constante va a llevar más esfuerzo con la aproximación inercial que con la magnética”.
Por otro lado, cabe destacar que en el anuncio de estos días hay cierto “truco de marketing” que muestra cuánto desarrollo falta aún. Y es que, sí, se ha conseguido obtener más energía de la que el láser cedió al combustible que contenía el deuterio y el tritio. Sin embargo, la energía que hubo que suministrar, a su vez, al láser no se considera en esta cuenta, y era muchísimo mayor.
Tienen una eficiencia en torno al 1%, por lo que buena parte de esa energía se pierde y no llega a cederse al combustible. “Si calculamos el balance como energía consumida por el experimento respecto de la energía extraída, estaríamos aún muy lejos de que todo esto sea rentable”. Eso no lo convierte en una mala noticia. Lo que se logró es muy importante, pero hay que tomarlo con cautela respecto de la inminencia de la producción de electricidad con esta tecnología.
Décadas de investigación que dan sus primeros resultados
Podríamos preguntarnos por qué la máquina del LLNL es tan difícil de escalar para la obtención de electricidad. Y la respuesta es bastante sencilla; porque, básicamente, esa máquina no se diseñó para demostrar una tecnología escalable de fusión nuclear, sino para estudios relacionados con la defensa. Lo cuenta también el experto consultado por este medio:
“En los años 90, se impulsó el tratado de prohibición completa de ensayos nucleares a nivel internacional. En este contexto, la capacidad de diseño y mantenimiento de armas nucleares queda comprometida. Estados Unidos, y por cierto, también Francia, decidieron construir máquinas en la que llevar a cabo mini detonaciones nucleares. Una mini detonación les ayuda a saber cómo se comporta la materia en las condiciones extremas que les ocupan y apoyar sus programas armamentísticos. Eso son la National Ignition Facility de EEUU, y el Laser MegaJoule de Francia”.
Rafael Juárez Mañas, profesor del departamento de ingeniería energética de la UNED, experto en fusión nuclear e investigador del proyecto ITER
Así, si la tecnología presentada recientemente no escala bien, es porque no estaba concebida para eso. Sin embargo, ya que consiguieron el hito tan deseado de cara a la obtención de electricidad, optaron por anunciarlo, para demostrar que han sido capaces de conseguir eso que se lleva intentando tanto tiempo. “Afortunadamente, y dada la relevancia de la investigación, en Estados Unidos aceptaron que parte del programa de la máquina tuviese aplicaciones civiles, así que desclasifican algunas cosas que tienen interés para producir energía”, relata Juárez Mañas. “Esa tecnología sí se puede usar para producir electricidad, pero requiere una serie de desarrollos que están en un punto menos maduro que la parte magnética”.
Pero, aun así, lo que han hecho está muy bien. Y es que la investigación en fusión nuclear necesita mucha financiación. Estos y otros muchos científicos llevan décadas investigando. Demostrar a la sociedad que se está en la senda correcta fomenta una relación adecuada para la financiación recibida durante tanto tiempo. Por eso este anuncio es tan relevante, a pesar de que le quede tanto por escalar.
La carrera por la fusión nuclear
En todo el mundo hay varias máquinas dirigidas a la obtención de energía por fusión nuclear. Unas siguen la aproximación inercial y otras la magnética. Además, mientras unas apuestan por escalar a máquinas cada vez más grandes, otras prefieren máquinas más pequeñas que se puedan reemplazar cada cierto tiempo. Aún no se sabe cuál será la mejor opción, pero las que vayan dando resultados serán las que empiecen a llamar la atención de los inversores, por lo que hay una gran carrera por presentar nuevos hitos.
Con respecto a escalar hacia máquinas ambiciosas de gran tamaño, o hacia máquinas más modestas y en mayor número, cada opción tiene sus pros y sus contras. La primera es la que más se ha intentado hasta el momento. Inicialmente, se crearon máquinas medianas de fusión nuclear por aproximación magnética, que cumplieron hitos diferentes: la mayor presión del plasma, la mayor temperatura, el mayor número de fusiones nucleares…
Después, con la experiencia aprendida de todas estas, se puso en marcha ITER. Este es un proyecto con sede en Francia en el que intervienen 35 países. Entre ellos se encuentran toda la Unión Europea, Estados Unidos, Japón, Corea del Sur, India, China y Rusia. El objetivo de esta máquina es alcanzar el Q=10. Es decir, extraer 10 veces la energía que se suministra al plasma. Lo que se ha conseguido recientemente ha sido apenas superar el Q=1 y en aproximación inercial. En confinamiento magnético aún no se ha alcanzado Q=1, por lo que aún les queda mucho trabajo por delante.
Ahora bien, fabricar máquinas cada vez más grandes presenta varios problemas. “Una máquina grande nos da problemas cada vez más grandes, porque la ingeniería no escala de manera lineal”, especifica Juárez Mañas. “Una máquina 10 veces más grande, no es 10 veces más compleja, puede serlo 1000 veces más o incluso cualitativamente más compleja, porque aparecen nuevos fenómenos”. Ese, según nos cuenta el científico, es el motivo principal por el que ITER parece que no llega nunca. “No paran de encontrar problemas que no preveían, porque es mucho más complejo hacer una máquina más grande. Estamos trabajando más allá del límite conocido en varios campos de la ingeniería simultáneamente”.
Conscientes de este problema, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han abordado el escalado de otra forma.
“En vez de una máquina gigantesca, que funcione 20 años con un programa científico ambicioso en torno a Q=10, su objetivo es hacer una suficientemente barata que alcance un Q>1 en confinamiento magnético al menos una vez, sin necesidad de acompañarlo de una vida larga o un gran programa científico. Esto representa un objetivo más modesto, aún muy relevante, y sobre todo: mucho más viable desde el estado actual de la ingeniería. Si funciona, continuarán por la senda de máquinas más modestas, aunque esto implique un mayor número de máquinas para obtener una cantidad relevante de electricidad”.
Rafael Juárez Mañas, profesor del departamento de ingeniería energética de la UNED, experto en fusión nuclear e investigador del proyecto ITER
Para ello, han diseñado un modelo de reactor nuevo, conocido como tokamak esférico pequeño. “Tienen una ingeniería más sencilla que ITER en general, lo que va a resultar en una economía más viable, por lo que se puede aplicar economía de fabricación industrial”. Pero hay un problema. “Su principal talón de Aquiles es que, al ser pequeños, necesitan mucha más densidad de energía y, por lo tanto, imanes superconductores más potentes”.
Para solucionar ese problema, han desarrollado lo que se conoce como superconductores de alta temperatura, la tecnología central de este concepto. Y esto pone las cosas mucho más a su favor. “Han hecho un estudio de mercado y les ha salido muy bien, por lo que han conseguido 2.000 millones de dólares de financiación privada”.
Nunca antes había habido tanta financiación privada en fusión nuclear, en numerosas iniciativas. Inversores tan relevantes como Bill Gates, Peter Thiel o Alphabet (matriz de Google) han entrado en la competición. Además de la iniciativa originada en el MIT, han nacido varias startups más con este fin, a las que también se han concedido fondos privados. Existe una carrera para batir a ITER en plazos y alcanzar Q>1 durante esta década. Ahora bien, ¿significa eso que en 10 años tendremos electricidad a partir de fusión nuclear? Dar una respuesta segura sería aventurarse demasiado.
La vista en el futuro, pero con precaución
La parte buena de todo esto es que, como ya hemos visto, la aproximación magnética es más fácil de escalar. Por lo tanto, con la financiación suficiente, se podría llegar muy lejos. Es importante incidir en la financiación; ya que, como bien señala Juárez Mañas, esos varios miles de millones de dólares privados en fusión en EEUU “son solo para empezar a hablar”. Primero deben demostrar de lo que son capaces. Entonces, a su debido tiempo, podrán seguir recibiendo dinero, en una escala mayor. De eso dependerá que tengamos plantas eléctricas por fusión nuclear en 10-20 años como hemos escuchado tantas veces estos días. No es algo que se pueda asegurar.
“El principal freno para conseguirlo es de ingeniería y la ingeniería se resuelve con recursos. Cuantos más recursos, menos tiempo. Depende de cuánto dinero se disponga. Si se produce una movilización masiva de la comunidad científica, de las que hemos visto muy pocas veces en la humanidad, como pudo ser el proyecto Manhattan o el programa Apolo, en 10 o 20 años quizás sí podamos tener plantas enchufadas a la red eléctrica. Lo que nadie dice es cuánto va a costar eso, porque esa inversión puede no tener relación con la magnitud de los hitos conseguidos hasta la fecha.”
Rafael Juárez Mañas, profesor del departamento de ingeniería energética de la UNED, experto en fusión nuclear e investigador del proyecto ITER
Por eso, la estrategia actual es ir demostrando poco a poco lo que pueden hacer, con pasos como el que se ha anunciado recientemente, y ya pedir más adelante. Eso sí, aunque este primer anuncio se haya hecho con la aproximación inercial, lo esperable, como ya hemos visto, es que se llegue a obtener electricidad antes con la magnética. “Eso no quiere decir que la inercial no vaya a llegar”, puntualiza el profesor de la UNED. “Es algo así como la gasolina y el diésel. Primero los coches fueron con gasolina, luego llegó el diesel, luego pareció que solo habría diésel, porque cada una tiene sus ventajas”.
En definitiva, el experto señala que no deberíamos verlo como una competición, porque eso no es positivo a la hora de obtener los necesarios recursos. Y porque verdaderamente, ambas aproximaciones comparten mucha tecnología para la producción de electricidad.
Paso a paso
El primer paso era llegar a Q>1. Eso ya se ha conseguido. El siguiente, debería ser alcanzar Q mayores para cubrir los consumos de la planta (por ejemplo, el Q=10 propuesto por ITER o mayores). Si eso se lograra, después se construiría una máquina mayor y que integrara las tecnologías que producen la electricidad, aún por consolidar.
Y, aun así, llegados a ese punto, deberíamos tener varias cuestiones en cuenta. La primera es que, al contrario de lo que se suele decir, no se obtendría una energía ilimitada, limpia y segura. Bueno, en realidad sí, pero con matices.
Para empezar, la energía sería virtualmente ilimitada. Esa aclaración significa que es cierto que llegaría un momento en el que se agotaría, pero hay de sobra para lo que pueda quedar a nuestra civilización. Y es que, si nos centramos en el combustible más sencillo, formado por deuterio y tritio, es bastante fácil de conseguir.
El deuterio se obtiene fácilmente del agua y hay una disponibilidad inmensa. En cuanto al tritio, al ser radiactivo y no encontrarse en la naturaleza, habría que generarlo, pero tiene solución. Se obtiene irradiando el litio en las propias plantas. Y las reservas de litio, aunque no son tan inmensas como las de deuterio, son bastante elevadas. “Hay litio en la Tierra para cubrir el consumo por fusión nuclear por la civilización actual”, tranquiliza el experto consultado por este medio. Aunque también puntualiza que hace referencia al estilo de vida actual, ya que “si nos volvemos muy locos con las baterías de los coches, ya veremos en qué estado quedan las reservas para la fusión nuclear”.
Sea como sea, sí podemos decir que hay suficiente combustible para tener energía ilimitada durante muchísimo tiempo. ¿Es limpio y seguro? Al igual que la fisión de los reactores nucleares actuales, no genera dióxido de carbono, por lo que podemos considerarla una forma de energía limpia. En cuanto a la seguridad, hay que hacer algunas puntualizaciones. La reacción nuclear no se puede descontrolar por definición, por lo que se dice que son intrínsecamente seguros. Pero los reactores de fusión nuclear aun así presentarán campos de radiación que hay que controlar y residuos radioactivos que hay que gestionar.
“Hay residuos y son radiactivos. Como lo son los de un hospital. Un hospital también tiene residuos radiactivos, pero no supone un drama para la sociedad. No tiene ni punto de comparación con la fisión. Un reactor de fusión nuclear se convierte en una fuente de radiación y cuando termines de operar la planta, la vasija del reactor es un residuo radiactivo considerable que hay que gestionar algunos cientos de años tal vez, pero se puede hacer sin drama. No tiene ni punto de comparación con una central de fisión en la que el combustible tarda millones de años en dejar de ser peligroso. La diferencia es muy importante porque en pocos cientos de años te puedes hacer una idea de cómo cambia una civilización, pero en millones de años no. No es tan fácil dejar unas instrucciones sobre cómo actuar”.
Rafael Juárez Mañas, profesor del departamento de ingeniería energética de la UNED, experto en fusión nuclear e investigador del proyecto ITER
Por lo tanto, la fusión nuclear sí que puede ser segura, siempre y cuando se diseñen adecuadamente los reactores. Esto es importante, ya que hay que mostrar todo para que, en un futuro, nadie se extrañe cuando se pida financiación para el correcto tratamiento de los desechos radiactivos, por ejemplo.
¿Acabará la fusión nuclear con los combustibles fósiles?
Los últimos avances en fusión nuclear nos llevan a coquetear con la idea de un futuro sin combustibles fósiles. Sería un gran futuro, sin duda. Ahora bien, ¿es esto viable?
Para Juárez Mañas, la fusión nuclear tiene el potencial para sustituir a los combustibles en la generación de electricidad. Ahora bien, de nuevo, todo depende de la financiación que se ponga sobre la mesa.
No obstante, el científico nos recuerda que hay otro detalle que debemos tener en cuenta y es que buena parte de los combustibles fósiles hoy en día se usan en transportes y calefacción. Ahí, por mucho que se consiga usar la fusión nuclear para obtener electricidad, sería todo más complicado. “Para poder sustituir los combustibles fósiles no necesitas solo fuentes de electricidad nuevas, necesitas electrificar el transporte y eso es otro cantar”, recuerda. “El objetivo es llegar a desarrollar tecnologías que nos permitan electrificar el transporte, una vez que lo tengas electrificado, ahí ya verás cómo obtienes la electricidad”.
Por lo tanto, el anuncio sobre fusión nuclear que nos ha llegado estos días es una buena noticia, sí. Es una prueba de que se está trabajando en un futuro en el que la fusión nuclear tendrá mucho que decir sobre energía. Pero es solo un primer paso de un camino muy largo, en el que, como en casi todo en la vida, los pasos se dan a golpe de talonario. Hay grandes científicos y máquinas magníficas implicadas. Pero los científicos no viven del aire y las máquinas son caras. Con la financiación suficiente y la investigación adecuada, ese futuro llegará. El camino ya ha empezado, ahora solo queda seguir caminando. No sabemos hasta cuándo.