Sí, seguir soñando con la fusión inercial como forma de energía tiene sentido

El sueño de obtener energía eléctrica a partir de la fusión de dos núcleos atómicos está un poco más cerca. Resultados obtenidos con algunos de los láseres más potentes del planeta demuestran que una de las estrategias para lograrlo, la fusión nuclear por confinamiento inercial, funciona tal y como se predijo hace ahora 50 años.

Líneas de luz entrando en la cámara (coloreada en azul) de la instalación National Ignition Facility (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.

Líneas de luz entrando en la cámara (coloreada en azul) de la instalación National Ignition Facility (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. / LLNL-NIF/Damien Jemison 

La fusión de núcleos atómicos libera grandes cantidades de energía. Es la reacción que hace brillar a las estrellas: dos núcleos de hidrógeno se unen y se convierten en helio, y en ese proceso una parte de la masa se convierte en energía. ¿Es posible ‘domar’ esa reacción de forma que acabe siendo en el futuro una fuente de energía eléctrica para la humanidad?

La física nuclear nos dice que la unión de los núcleos de hidrógeno se logra cuando están a cientos de millones de grados. En esas condiciones la materia no es un sólido, ni un líquido, ni un gas. Los átomos se encuentran ‘descompuestos’ en sus dos componentes: núcleo −el que queremos unir− y electrones. Así descompuesta la materia es volátil, y es necesario confinarla en alguna forma de recipiente. En el reactor experimental de fusión nuclear ITER, actualmente en construcción en Cadarache (Francia), la contención se logra mediante potentes campos magnéticos.

Pero hay otra estrategia: el denominado confinamiento inercial. En 1972, hace ahora medio siglo, el físico estadounidense John Nuckolls lo propuso como idea en un artículo de Nature. Por fechas similares el premio Nobel Nikolai Basov llegó en la Unión Soviética a conclusiones parecidas, y poco después Robert Dautray, en Francia.

Hace 50 años se propuso la idea de la fusión nuclear por confinamiento inercial, y ahora se ha demostrado finalmente una de sus ideas centrales

Se inició así una investigación que a lo largo de cinco décadas ha logrado muchísimos avances por y para la energía, pero también para otras áreas de la física y la tecnología, como los propios láseres. Pero es ahora, con los resultados publicados la semana pasada, cuando ha sido finalmente demostrada una de las ideas centrales de la fusión inercial.

Pulsos láser de nanosegundos para crear microsoles

En la fusión por confinamiento inercial cantidades muy pequeñas de materia, apenas miligramos de hidrógeno −específicamente de sus isótopos deuterio y tritio− contenidos en cápsulas de milímetros, deben alcanzar las mismas condiciones de temperatura y densidad que se dan en el Sol. ¿Cómo lograrlo? La respuesta está en un láser de alta energía y con pulsos de nanosegundos (0,000000001 segundos).

En la fusión por confinamiento inercial se consigue, mediante láseres, que unos miligramos de hidrógeno (deuterio y tritio) en cápsulas de unos milímetros alcancen temperaturas como las del Sol

El láser deposita su energía en la capa externa de la cápsula con el hidrógeno, y provoca la expansión de dicha capa. Por ‘efecto cohete’ −recordemos que en un cohete el gas sale hacia el suelo y el cohete sube hacia el cielo− el resto de la masa del blanco se comprime rápidamente hacia dentro: una implosión. Una vez logradas las condiciones de temperatura en el centro del hidrógeno, comenzarán en él las reacciones de fusión nuclear.

Microcápsula de combustible para fusión por confinamiento inercial como las que se usan en la instalación NIF. / LLNL
Microcápsula de combustible para fusión por confinamiento inercial como las que se usan en la instalación NIF. / LLNL

Y ahora viene lo importante del resultado publicado el pasado 26 de enero en Nature y Nature Physics: demuestran que, tal y como se predijo hace 50 años, la energía cinética de los núcleos de helio producto de las reacciones de fusión se deposita, por colisiones, en la zona más externa con el hidrógeno más denso, calentándola a su vez y propagando desde el interior hacia el exterior esa onda térmica −como vemos al lanzar una piedra al agua−.

¡El tiempo de confinamiento dura solo 0,1 nanosegundos! Pero si consigo repetir ese mecanismo diez veces por segundo, ¡ajá!: entonces tengo energía y potencia suficientes como para pensar seriamente en una planta generadora de energía eléctrica

Naturalmente todos entendemos que, sin nada que siga ‘apretando’, la materia se expandirá y dejará de estar a las condiciones deseadas. ¡El tiempo de confinamiento dura solo 0,1 nanosegundos (0,0000000001 segundos)!

Pero si consigo repetir ese mecanismo diez veces por segundo, ¡ajá!: entonces tengo energía y potencia suficientes como para pensar seriamente en una planta generadora de energía eléctrica.

Mucho más barato comprimir que calentar

Ahora bien: ¿por qué es necesario ese doble paso de ‘cerilla en el centro y propagación del fuego’ hacia el exterior? Porque es mucho más ‘barato’, en términos de energía necesaria, comprimir que calentar una misma materia. Este es el secreto y la importancia del logro. Con este argumento teórico, ahora validado por los nuevos resultados, tiene sentido seguir soñando con esta forma de energía.

El artículo en Nature Physics recoge los experimentos y los resultados computacionales realizados en la National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory de EE UU junto a otros laboratorios, que demuestra después de 50 años que ese mecanismo es una realidad. NIF es un láser de 2 megajulios de energía en cada pulso distribuida en 192 haces y de algunos nanosegundos de pulso.

Lo que se publica ahora demuestra la propagación de quemado en los experimentos de agosto de 2020 y febrero de 2021. En agosto de 2021 se alcanzaron valores aún superiores de energía, pero es un resultado que aún debe ser repetido.

Pero hay más. Lo que se necesita es que el proceso se repita de manera continuada en el tiempo y durante la vida del reactor. Y para eso el láser de esa energía debería ser repetitivo. La investigación está en ello, junto a la búsqueda de una optimización del mecanismo para que se use menos energía del láser.

Retos pendientes

Finalmente, quedan los retos que son comunes a las dos opciones de confinamiento: los materiales, los sistemas de refrigeración, la reproducción del tritio (isótopo inexistente en la naturaleza y que hay que fabricar in situ). Son retos que se están abordando, pero cuya perspectiva temporal se va a tiempos por encima del año 2050 y más.

La pregunta es: ¿compensa? La respuesta es: sí. Aunque el tiempo nos llevase a los 70 de este siglo (es decir un siglo después de su planteamiento) su ‘inagotabilidad’ de combustible (el hidrógeno), su seguridad y su reducción de residuos nos lleva a la perspectiva de resolver, en combinación con otras fuentes, el problema de la energía del que si no hablarán y hablarán con riesgo nuestros nietos y biznietos.

La otra vía de lograr energía eléctrica de la fusión nuclear es la del confinamiento magnético, que tampoco arrojará resultados de manera inmediata. ITER es una instalación experimental no conectada a la red que va a permitir demostrar la ignición y quemado y la prueba de sistemas posteriormente aplicables al reactor final o DEMO. El arranque será sobre 2025-2026 y su funcionamiento real hacia los logros previstos, en 2035. DEMO se plantea en la Unión Europea en la frontera del 2050-2060.

Concluyo con una noticia que no por conocida es menos necesaria de ser difundida: España espera la financiación final para la construcción y funcionamiento de la instalación IFMIF-DONES, que debe demostrar la viabilidad de los materiales propuestos para las estructuras del reactor.

José Manuel Perlado Martín es profesor emérito de Física Nuclear y presidente del Instituto de Física Nuclear Guillermo Velarde (IFN-GV) de la Universidad Politécnica Madrid (UPM).

 

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