Fusión nuclear: el futuro de la producción energética

El factor considerado más influyente en el cambio climático es el aumento del anhídrido carbónico en la atmósfera por el uso de combustibles fósiles. Esta fuente cubre el 85% de la demanda energética mundial. Estos recursos cuentan con reservas estimadas para 150 años. Las energías renovables: eólica y solar, pueden llegar a suplir, teóricamente, la totalidad de las necesidades energéticas mundiales, pero tienen algunos inconvenientes, como el caso de la energía fotovoltaica: solamente se puede usar eficientemente durante unas ocho horas/día; hay que contar con almacenamientos.

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Estas circunstancias hacen de la energía nuclear la mejor candidata para el reemplazo del petróleo.

Hay dos formas de obtener esta energía: fisión y fusión nuclear.

En las siguientes líneas describo sus principios básicos y algunos detalles en forma simplificada para brindar una idea sobre sus características.

La fisión nuclear consiste en “partir” (fisionar) un núcleo atómico mediante un bombardeo con neutrones. El uranio 235 es el más fácil de “romper” por este proceso y es el que se usa actualmente. Este elemento se divide en dos átomos más livianos (bario y estroncio) y emite un neutrón. Este neutrón embiste otro núcleo de uranio que inicia otro ciclo y así sucesivamente formando una reacción en cadena. Si ésta se realiza sin ningún control, se libera la energía violentamente produciendo explosión. Así funcionan las armas atómicas. Pero controlando adecuadamente la emisión de neutrones, dicha reacción se mantiene en niveles apropiados para la producción continua de energía.

Problema ecológico

La fisión del uranio 235 produce radioisótopos inestables que emiten radiaciones, y se transforman, según una cadena, en otros elementos hasta llegar a un elemento estable. En el Uranio 235, dicha cadena termina en plomo, que no emite radiación alguna y permanece estable. Este decaimiento dura muchos años. Estos residuos plantean un serio problema ecológico, que es solucionable y, afortunadamente, no se producen en grandes cantidades.

En la fusión nuclear, el proceso es inverso. Dos átomos de un elemento se juntan (fusionan) y producen un tercer elemento más pesado. El elemento más adecuado para este proceso es el hidrógeno, usando sus isotopos deuterio y tritio, que se fusionan formando helio -gas muy estable- y energía. Esta reacción es la que se produce en el núcleo solar. Esta técnica permanece en estado experimental; los resultados logrados son auspiciosos. Se estima que en 2050 aparecerán las primeras usinas comerciales.

En la fusión, el problema es lograr que dos átomos de tritio y deuterio, colisionen y se fusionen. Hay dos métodos: el confinamiento magnético y el inercial.

En el confinamiento magnético se llevan al deuterio y tritio al estado de plasma a altísimas temperaturas (el núcleo solar está a 15 millones de grados K). Esto produce la separación de los núcleos de sus electrones. La masa de gas convertida en plasma es eléctricamente activa y caótica. Es contenida en una cámara de vacío, y mantenida alejada de sus paredes mediante campos magnéticos. Para aumentar la probabilidad de colisiones de los núcleos, la temperatura (y equivalente energía) del plasma se eleva a 150 millones de °K, temperaturas alcanzadas mediante dispositivos del tipo horno de microondas (a gran escala), actuando sobre pequeñas cantidades de gas.

Ambicioso plan

En el Proyecto ITER, situado en Francia, iniciado y financiado por siete países (ver foto), con un monto presupuestado en U$S 25.000 millones, la cámara de vacío del reactor cilíndrico tiene 19 m de diámetro y 11 m de altura para alojar sólo 10 gramos de gas durante el proceso (comenzará sus experimentos en 2025).

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El confinamiento inercial trabaja aumentando la densidad de una pequeña masa de deuterio y tritio mediante un bombardeo con fotones desde láseres de alta potencia. Por ejemplo, en el NIF (National Ignition Facility, EEUU) los ensayos consisten en concentrar sobre una esferita de 3 mm que contiene 10 miligramos de deuterio y tritio, haces de 192 láseres de altísima potencia durante 10 nanosegundos, comprimiendo la masa de gas y aumentando su densidad de 600 a 1.000 veces, y su temperatura a 100 millones de °K. Las probabilidades de que los núcleos colisionen aumentan convenientemente. Este proceso se repite unas cinco veces por segundo, dentro de una cámara especial a presión normal.

Tanto en la fisión como en la fusión nuclear, la razón por la que se desprende gran cantidad de energía es que los productos de la reacción son más livianos que los de origen; hay una pérdida de masa que se convierte en energía según la famosa ecuación de Einstein: E=mc2

En ambos métodos la energía producida es captada por algún líquido refrigerante de las paredes de las cámaras que protegen los procesos y la transfiere a calderas para producir el vapor que mueve al generador.

En la fisión nuclear el proceso crítico es el control de las reacciones involucradas; (recordemos Chernobyl y Fukushima) y tiene el inconveniente de los residuos que produce. En cambio, la fusión es muy segura. El proceso critico es lograr que las reacciones se produzcan, por lo que, ante una anormalidad, sencillamente el proceso se detiene por sí solo. Produce muy poco residuo radiactivo, cuya vida media es de 12 años.

¿Por qué se usa tan poco deuterio y tritio en los experimentos (gramos)? La siguiente comparación nos da la respuesta:

La producción teórica de energía en Kwh por kg de distintos materiales es la siguiente:

• Carbón (1) ……………………………………………………………..9,1 Kwh
• Hidrocarburo promedio (1) ……………………………12,8 Kwh
• Hidrógeno gas en una celda de combustión (1) ………….39,4 Kwh
• Uranio 235 fisionado (2) ………………………………….22.800.000 Kwh
• Hidrógeno fusionado (2) ………………………………190.000.000 Kwh

Lógicamente, los procesos de obtención de la energía de cada material tienen un factor de rendimiento que puede oscilar alrededor del 50%, según el caso.

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Como se observa, si se logra controlar la fusión nuclear, la ventaja es inmensa. Además, el deuterio existe naturalmente en el agua, lo que constituye una fuente casi inagotable.

*El autor es ingeniero químico. Ateneo Amigos de la Ciencia: ateneoac.mo@gmail.com

Producción y edición: Miguel Títiro - mtitiro@losandes.com.ar

(1) John Perry. Manual del Ingeniero químico

(2) Young – Freedman, Física Universitaria – Tomo 2