‘Ciencia para todos’ (SER Málaga): Fusión nuclear, creando fuentes ‘infinitas’ de energía

Te recomiendo escuchar el podcast “Fusión nuclear: creando fuentes ‘infinitas’ de energía”, 17 Ene 2019 [10:23 min] del programa de radio “Ciencia para todos” en el que participo junto a Enrique Viguera @EnriqueViguera (profesor titular de genética de la Universidad de Málaga y coordinador de Encuentros con la Ciencia). Esta sección quincenal del programa “Hoy por Hoy Málaga”, presentado por Isabel Ladrón de Guevara, se emite todos los jueves en la Cadena SER Málaga (102.4 FM) entre las 13:00 y 14:00 horas (lo siento, no tiene hora fija de emisión).

Más información en “Fusión Nuclear: creando estrellas en la Tierra”, Encuentros con la ciencia, 31 Dic 2018. En este blog también puedes leer “¿Cuánto costará la construcción del reactor de fusión experimental ITER?” LCMF, 29 Abr 2018; más sobre ITER; “España hacia la fusión nuclear con IFMIF-DONES en Granada”, LCMF, 12 Jun 2016; más sobre IMIF-DONES; “Nuevo hito del NIF hacia la fusión por confinamiento inercial”, LCMF, 20 Jun 2018; más sobre NIF; más sobre energía de fusión nuclear.

El pasado viernes 11 de enero disfrutamos de una conferencia de la Doctora Eleonora Viezzer sobre FUSIÓN nuclear en Encuentros con la Ciencia en la sala Ámbito Cultural de El Corte Inglés de Málaga. ¿Qué tal fue la conferencia? La XVI edición del ciclo de conferencias “Encuentros con la Ciencia“ arrancó con una estupenda conferencia de la Dra. Eleonora Viezzer, del Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear, de la Universidad de Sevilla, titulada “Fusión Nuclear: creando estrellas en la Tierra”. La fusión nuclear es la fuente de energía del Sol y si logramos controlarla en la Tierra cubrirá de manera sostenible las futuras necesidades energéticas de la humanidad. Así lograremos una energía limpia e inagotable, pues usará hidrógeno extraído del agua como combustible.

La fusión nuclear pretende encerrar un pequeño Sol en la Tierra y lograr que produzca energía eléctrica de forma controlada para nosotros. ¿Cómo funciona la producción de energía el Sol? La energía que radia el Sol se produce en su núcleo (entre un 20% y 25% de su radio) donde se alcanzan temperaturas de más de 15 millones de grados (la superficie del Sol se encuentra a unos 6 mil grados). Hay dos tipos de reacciones nucleares de fusión en el núcleo del Sol. La cadena pp (protón-protón) y la CNO (carbono-nitrógeno-oxígeno). La cadena pp forma helio a partir de hidrógeno y es la más importante en el núcleo solar. H+H => D+e++ν, cuyo tiempo característico es de mil millones de años (vía la interacción débil, desintegración beta para la adhesión); D+H=> He3+γ, con 4 segundos (vía la interacción fuerte); y He3+He3=>He4+H+H, con 400 años (vía la interacción fuerte). Se libera al convertir cuatro átomos de hidrógeno en uno de helio unos 26,7 MeV. Esta reacción nuclear de fusión es la que se pretende usar en la energía de fusión en la Tierra. El ciclo CNO (carbono-nitrógeno-oxígeno) genera menos del 10 % de la energía total del Sol. En una sucesión de varias reacciones que se inicia con C12+H=>N13+gam, e involucra a C12, C13, N13,N14, N15, O15, y He4.

Como curiosidad, los fotones de alta energía (rayos gamma) tienen un «tiempo de viaje» desde el núcleo solar hasta la límite exterior de la zona radiativa de aproximadamente 170 mil años. Desde ahí, la luz atraviesa la zona convectiva solar (el último 25 % del radio solar) en un proceso mucho más rápido. En el proceso de transferencia de calor desde el núcleo hasta la fotosfera, cada partícula de rayos gamma se convierte en varios millones de fotones de luz visible durante su dispersión, antes de escapar al espacio. Conocemos muy bien cómo funciona el Sol gracias a que los neutrinos nos permiten explorar su interior. Los neutrinos que se liberan en la fusión nuclear logran escapar del interior del Sol inmediatamente. Usando detectores de neutrinos como Borexino (Italia), en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, Italia), se han logrado observar todos los tipos de neutrinos solares (B-8 en 2010, Be-7 en 2011, pep en 2012 y pp en 2014). Lo que diferencia estos neutrinos es su espectro de energía. Los resultados de Borexino confirman las predicciones del modelo solar estándar. Más información en “Borexino observó neutrinos de la primera reacción pp en el núcleo del Sol”, LCMF, 27 Dic 2014.

Los reactores nucleares comerciales actuales usan la Fisión Nuclear en lugar de la Fusión Nuclear que hay en el interior del Sol. ¿Cuál es la diferencia entre la Fusión y la Fisión? En el núcleo de cada átomo hay dos tipos de partículas (neutrones y protones) que se mantienen unidas. La energía nuclear es la energía que mantiene unidos neutrones y protones. Esta energía nuclear se puede utilizar para producir electricidad  de dos formas: fisión nuclear y fusión nuclear. En la fisión nuclear, un núcleo de un átomo pesado, al capturar un neutrón incidente, se divide en dos o más núcleos de átomos más ligeros, emitiendo en el proceso neutrones y grandes cantidades de energía. Estos neutrones inciden sobre otros núcleos fisionables dando lugar a un efecto multiplicador que conoce como reacción en cadena. Las centrales nucleares comerciales utilizan la fisión nuclear para producir electricidad. En la fusión nuclear varios núcleos atómicos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado a la vez que se genera una gran cantidad de energía. Los núcleos atómicos de partida deben superar la repulsión que experimentan por tener cargas eléctricas positivas. Así es como el Sol produce energía. Tanto en la fisión nuclear como en la fusión nuclear los núcleos de los átomos experimentan una pequeña pérdida de masa, que se convierte en una gran cantidad de energía calorífica y de radiación, como descubrió Albert Einstein con su famosa ecuación E=mc². La energía calorífica producida se utiliza para producir vapor de agua y generar electricidad mediante una turbina.

En su charla, la doctora Viezzer comentó que hay dos tipos de reactores de fusión nuclear, los de confinamiento magnético y los de confinamiento inercial. ¿Cuál es la diferencia entre ambos? La fusión nuclear comercial se basa en la reacción nuclear entre dos núcleos hidrógeno, en concreto, sus isótopos deuterio (que se encuentra en el agua pesada y está formado por un protón y un neutrón) y tritio (que se tiene que fabricar de forma artificial y está formado por un protón y dos neutrones), se unen para formar un núcleo de helio-4 (dos neutrones y dos protones), emitiendo un neutrón y liberando una energía de 17,6 MeV (un poco menos de la que se produce en el Sol). Para que tenga lugar una reacción de fusión, es necesario alcanzar altas temperaturas, por encima de cien millones de grados, con lo que el deuterio y el tritio se encuentran en el cuarto estado de la materia, el plasma. Además, hay que lograr una densidad suficiente del plasma, por lo que hay que confinarlo. Usar una vasija con paredes no es factible debido a las altas temperaturas. Por ello se usan dos métodos de confinamiento llamados confinamiento inercial y confinamiento magnético. En el confinamiento inercial se crea un medio tan denso que las partículas no puedan escapar sin chocar entre sí. En EEUU tenemos el reactor NIF en el que se impacta una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio por un haz de láser provocando su implosión. Así se alcanza una alta densidad y temperatura que permite la la reacción de fusión. En el confinamiento magnético se usan intensos campos magnéticos para atrapar las partículas cargadas del plasma en una región con forma de dónut. Hay dos posibilidades, llamadas tokamak, como el ITER que se está construyendo en Cadarache, Francia, y stellarator, como Wendelstein 7-X, en Alemania.

ITER es un reactor de fusión de tipo tokamak que se está construyendo en Francia. España interviene en ITER como parte de la Unión Europea. ¿Cuál es el estado actual de ITER? ITER es un reactor de fusión para investigación experimental. Los resultados de ITER permitirán diseñar el futuro reactor DEMO, que será un reactor de demostración de la tecnología de la fusión nuclear. DEMO será el germen de los futuros reactores de fusión comerciales de la segunda mitad del siglo XXI. ITER  (International Thermonuclear Experimental Reactor) fue propuesto en 1987 y fue aprobado en 2002. Su construcción de ITER en Cadarache, Francia, ha sufrido varios retrasos y se inició en 2013. Debería estar finalizada en 2025. La inyección del primer plasma se espera para 2027 y la inyección de combustible de fusión se retrasará hasta 2035. El objetivo final de ITER se logrará sobre 2037 y será una producción neta de energía de 500 MW a partir de un consumo de sólo 50 MW, es decir, alcanzar un Q ≥ 10 durante entre 300 y 500 segundos. Tras este éxito será fácil completar el diseño de DEMO que será construido durante la década de 2040 y debería empezar a funcionar en la década de los 2050. No se esperan reactores de fusión comerciales hasta la década de los 2060.

La construcción de ITER ha sufrido muchos retrasos y su coste ha crecido mucho más de lo esperado. ¿Se sabe cuánto acabará costando  ITER? ITER es un proyecto multinacional de China, India, Japón, Rusia, Corea del Sur, EE.UU. y la Unión Europea que trabajan al unísono y con gran confianza mutua para garantizar el éxito de esta instalación experimental. Y para compartir todo el conocimiento obtenido de su construcción y futuros experimentos. El proyecto inicial de ITER se pensaba que costaría unos 5 millardos de euros, pero al inicio de la construcción en 2013 se elevó a 15 millardos. Ya en 2016 se estimó que rondará los 22 millardos. Y en abril de 2018 un informe del DOE (US Department of Energy) para un comité del Senado de EE.UU. afirmó que superará los 65 millardos de dólares. Quizás sea una exageración, pues Bernard Bigot, director de ITER, afirma que no hay ninguna razón para que en los próximos años el coste final supere los 22 millardos de dólares. Comparado con lo que cuesta un avión militar no es un coste tan alto para ser compartido por  China, India, Japón, Rusia, Corea del Sur, EE.UU. y la Unión Europea.

Además de los tokamaks, hay otro tipo de reactores de fusión llamados “stellarator”. ¿En qué consisten estos reactores? En España el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) dispone desde 1997 de un pequeño stellarator llamado TJ-II de 1.5 metros. Pero en Europa tenemos desde 2015 el mayor stellarator del mundo, llamado W7-X, de 5.0 metros. Está en Alemania y se llama Wendelstein 7-X. Su diseño con 5,5 m de radio mayor es de gran belleza gracias a la geometría curvada de sus bobinas superconductores, toda una obra de arte del diseño en ingeniería. La investigación en stellarators está retrasada varias décadas respecto a los tokamaks. Su fabricación es mucho más complicada que la de un tokamak. La primera generación de stellarators comenzó a funcionar en la década de los 1990. De hecho, Wendelstein 7-X (W7-X) no es un reactor de fusión y nunca se intentará la fusión en su interior. Su objetivo es estudiar la estabilidad del plasma a alta temperatura durante al menos treinta minutos (logro que se debería alcanzar sobre 2021). Si se introdujera combustible fusionable, deuterio y tritio, sería catastrófico para la instalación, ya que no está preparada para ello.

Además de la fusión por confinamiento magnético existe la fusión por confinamiento inercial. ¿En qué estado se encuentra ahora mismo este otro tipo de fusión? Hay muchos proyectos de fusión por confinamiento inercial, pero la instalación líder en el mundo es el NIF (National Ignition Facility) en en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) de EE. UU. Usa fusión inducida por láser, aunque aún no ha logrado la ignición con Q > 1, generar más energía de la inyectada. NIF se construyó en 2009 y usa 192 láseres que inyectan 1.5 megajulios durante 7.5 nanosegundos en una cápsula cilíndrica que contiene el combustible de fusión. NIF es una instalación científica de 3500 millones de dólares cuyo fin era evitar las pruebas de armamento nuclear. En paralelo al programa militar se inició un programa civil cuyo objetivo es obtener energía mediante fusión. En Europa, hay dos iniciativas en fusión inercial: la francesa Laser MégaJoule, LMJ, muy similar a NIF y con fines militares únicamente, y HiPER (High Power laser Energy Research facility), cuyo fin es la producción de energía eléctrica. El proyecto HiPER se encuentra en la actualidad en la fase preparatoria de evaluación de tecnología. No se espera que su construcción se inicie antes de 2025.

En el NIF se han logrado varios hitos que han copado titulares en la prensa. ¿Cuándo se espera que se logre la ignición de la fusión? Se han logrado algunos hitos parciales, por ejemplo, en junio de 2018 se logró que el combustible genere más energía de fusión (54 kJ) que energía cinética (~21 kJ). Hay que tener que en cuenta que se inciden los 192 láseres en una cápsula cilíndrica (hohlraum) con un diámetro de 6.2 mm y una altura de 11.3 mm, con una pequeñita esfera (0.91 mm de radio) con el combustible (deuterio-tritio). El gran problema aún no resuelto es cómo minimizar las asimetrías en la implosión del hohlraum, que penalizan mucho la energía que recibe el combustible durante la implosión. En el proceso ocurren un gran número de inestabilidades y se requiere mucha investigación para resolverlas.

¿Cuál será la próxima charla en los Encuentros con la Ciencia? “La Tabla periódica: unos elementos de cuidado”, conferencia de la Dra. Rosa López Ramírez, del Departamento de Química Física, de la Universidad de Málaga. Será el próximo lunes 21 enero 2019,  a las 19:30 horas en Ámbito Cultural de El Corte Inglés de Málaga. “Este año 2019 se conmemora el “Año Internacional de la Tabla Periódica delos Elementos Químicos” y para sumarnos a esta iniciativa en esta charla se pretende resaltar los aspectos más relevantes relacionados, por ejemplo, con el descubrimientos de algunos elementos químicos así como el papel de los científicos españoles en esta labor aportando a esta Tabla. Tres de sus elementos: el vanadio, el wolframio y el platino. Para poder entender cómo ha ido evolucionando y completándose la Tabla Periódica es indispensable hacer un recorrido por la historia de lafísica, la química, el avance de la ciencia y de la tecnología que hanhecho posible que hoy día contemos con 118 elementos distribuidos en suscorrespondientes grupos y periodos”. Más información en “La Tabla periódica: unos elementos de cuidado”, Encuentros con la ciencia, 16 Ene 2019.



9 Comentarios

  1. Sí están seguros de que la fusión nuclear con rendimiento positivo es posible, y que conseguirlo solo es cuestión de tiempo dinero y esfuerzo, deberían multiplicar el dinero y el esfuerzo… Al fin y al cabo, esas cantidades de las que se habla, son una bagatela en comparación con otros dispendios, si se tiene en cuenta la enorme necesidad que tenemos de energía para que la humanidad siga progresando. Nada hay más importante que esto.

  2. Yo soy totalmente lego y no entiendo la frase de que “una particula de rayos gamma se convierte en millones de fotones”. ¿Un fotón se convierte en millones ? ¿Podría aclararlo? Gracias

    1. Africano, el fotón interacciona con los electrones del plasma y se transforma en otro fotón, y así sucesivamente una y otra vez, millones de veces antes de escapar del plasma. El fotón que observamos en la Tierra no es el mismo que se excitó en el núcleo.

      1. Pero en esa cadena de interacciones la energía del “fotón original” se va dispersando (mayoritariamente a la Compton, supongo). Abusando del lenguaje, es como si el “rayo gamma original” fuera cediendo parte de su energía a los electrones que se encuentra en su camino, y estos electrones excitados eventualmente se des-excitan emitiendo fotones… Al final es la misma cantidad de energía empaquetada más finamente, como si el “fotón original” se hubiera ido subdividiendo en fotones menos energéticos, ¿no?

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 18 enero, 2019
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