Fusión nuclear y el proyecto ITER

Por Alberto Loarte

La fusión nuclear es el proceso por el cual las estrellas producen energía, y consiste en la fusión de núcleos de hidrógeno para producir helio. Este proceso permite convertir la masa de los núcleos en energía, según la famosa ecuación E = mc2, con una eficiencia muy alta (de hecho, es el proceso más eficiente para la producción de energía en el universo), y no produce residuos radioactivos, dado que el helio no lo es. Es el proceso opuesto a la fisión nuclear, que se utiliza en las centrales nucleares actuales, en el que un núcleo pesado (uranio) se divide en dos más ligeros y que produce residuos radioactivos de larga duración. Para que dos núcleos de hidrógeno se fundan es necesario que estos colisionen a muy alta velocidad. Esto se puede conseguir, en principio, utilizando aceleradores de partículas, pero con este modo no es posible una generación neta de energía dado que el número de núcleos de hidrógeno que se acelera es muy pequeño y se gasta más energía en acelerarlos que la que producen al fusionarse. Para obtener una producción neta de energía de fusión es necesario producir una gran cantidad de núcleos que colisionen entre ellos a altas velocidades. Esto se consigue calentando el hidrógeno a muy altas temperaturas (de decenas a centenas de millones de grados); en estas condiciones los electrones de los átomos se separan de los núcleos; éste es el cuarto estado de la materia que se denomina “plasma” y es del que están constituidas las estrellas.

Producir y mantener plasmas de hidrógeno a altas temperaturas no es fácil por la natural expansión de los gases al calentarse y por las pérdidas de energía por conducción y convección que sufren. En las estrellas, la masa de la estrella provee la fuerza que comprime al gas caliente, se comprime por su propio peso, y sus enormes dimensiones aseguran que las pérdidas de calor sean muy reducidas. Para reproducir las condiciones de los plasmas de las estrellas en la Tierra es necesario utilizar otros procesos físicos para comprimir el plasma y proveer aislamiento térmico, y esto se consigue mediante campos magnéticos. Al estar constituido el plasma de componentes cargados eléctricamente (electrones – y núcleos +), éstos están forzados a moverse orbitando alrededor de las líneas de campo magnético, según las leyes del electromagnetismo. Cuando las líneas de campo magnético tienen la configuración adecuada (un toroide, de forma similar a una rosquilla) los núcleos y electrones quedan confinados por él y mantienen su temperatura (ver vídeo 1); las fuerzas electromagnéticas también comprimen el plasma evitando que se expanda y enfríe.

Vídeo 1 – Toroide
 

El proyecto ITER tiene como objetivo demostrar la viabilidad científica y técnica de la fusión nuclear como fuente de energía prácticamente inagotable y no contaminante; se encuentra actualmente en construcción en el sur de Francia por un consorcio internacional. El ITER es el proyecto científico de mayor magnitud en construcción a nivel mundial en el presente. Sus miembros son la Unión Europea (que aporta el 45% del presupuesto), China, Corea, India, Japón, Rusia y Estados Unidos que representan más de la mitad de la población y el 80% del PIB mundial. ITER utiliza una configuración de campos magnéticos de tipo Tokamak capaz de contener plasmas de hidrógeno muy calientes de un volumen de unos 800.000.000 de litros (ver figura 1).

Figura 1 – El reactor experimental Tokamak de fusión nuclear ITER

El primer Tokamak fue desarrollado por los científicos soviéticos en la década de 1960-70 y es la configuración magnética que provee el mejor aislamiento térmico y fuerzas de compresión, permitiendo obtener los plasmas de alta temperatura y presión que son necesarios para producir energía de fusión nuclear. En el ITER se esperan obtener plasmas con temperaturas de centenas de millones de grados (diez veces más calientes que el centro de Sol) y con campos magnéticos unas 100.000 veces mayores que las del campo de la Tierra; por el plasma circularán corrientes de hasta 15.000.000 de amperios, esto es, unas 10.000.000 de veces más altas que las habituales en los electrodomésticos habituales (nevera, lavavajillas, etc.). Para producir estas corrientes eléctricas y campos magnéticos el ITER está equipado con enormes bobinas hechas con cables especiales (superconductores) que se mantienen a una temperatura de -269 grados centígrados (prácticamente la temperatura más fría del universo) para mantener su resistencia eléctrica en valores muy bajos, y de este modo reducir la cantidad de energía que se utiliza en crear los campos magnéticos necesarios para producir la energía fusión. De este modo en el reactor ITER se mantendrán temperaturas 10 veces más altas que el centro del Sol, y al mismo tiempo las temperaturas más bajas del universo, sólo separadas por unos metros de distancia; esto da una idea del enorme poder aislante de los campos magnéticos.

EL ITER está diseñado para producir una potencia de fusión de 500 MW para lo cual se necesitará calentar el plasma con una potencia de 50 MW, esto es, se producirá diez veces más energía de fusión que la que se inyectará en el plasma para calentarlo a las temperaturas de cientos de millones de grados necesarias para producir energía de fusión.  El combustible que utilizará el ITER se compone de dos formas de hidrógeno pesado: deuterio y tritio que se fusionan para dar helio y un neutrón (ver video 2). El deuterio es una forma estable de hidrógeno pesado que se formó en los primeros instantes de la creación del universo, tras el Big-Bang, y se encuentra distribuido en una proporción de 0,015 % en el hidrógeno natural terrestre, por ejemplo, en el agua del mar. El tritio es una forma de hidrógeno aún más pesada que el deuterio, pero es inestable, decayendo a una forma ligera del helio (He3) en un periodo de 13 años, por lo que no existe en la naturaleza. En el ITER se utilizará tritio de las reservas existentes producidas en reactores de fisión que operan con agua pesada (agua que contiene deuterio).

Video 2 – Reacción Deuterio-Tritio
 

En futuros reactores de fusión, el tritio se producirá en el propio reactor a partir de litio (elemento muy abundante utilizado extensivamente en la producción de baterías eléctricas) y de los neutrones producidos por la reacción de fusión misma. La absorción de la energía del neutrón por el litio en las paredes del reactor aumenta la temperatura del refrigerante y este calor se utilizará para la producción de vapor de agua y de energía eléctrica en el futuro (ver figura 2), de modo similar a las centrales eléctricas térmicas o nucleares actuales. Uno de los objetivos del ITER es demostrar la tecnología de producción de tritio a partir de litio a pequeña escala en los así denominados “Test Blanket Modules”.

Figura 2 – Futura central eléctrica de fusión nuclear

La construcción del ITER ha representado un desafío colosal tanto del punto de vista de las infraestructuras necesarias (ver vídeo 3) como de las tecnologías necesarias para los componentes del reactor. Por ejemplo, para la construcción de las bobinas magnéticas ha sido necesario multiplicar por diez la producción mundial de los materiales necesarios para los cables de los que están hechas y la elaboración de estos cables ha necesitado 8 años de producción conjunta, en fábricas de la Unión Europea, China, Corea, Japón, Rusia y Estados Unidos.  Por otro lado, el diseño y manufactura de los componentes que protegen la vasija del reactor de los flujos de potencia provenientes del plasma ha requerido un notable desarrollo tecnológico. Aunque los campos magnéticos producen un aislamiento térmico del plasma excelente, éste no es perfecto y las paredes del reactor de fusión se ven sometidas a flujos de potencia de magnitudes inusitadas. Para protegerlas se han desarrollado componentes hechos de wolframio y refrigerados por agua a muy alta presión que son capaces de soportar flujos de potencia de hasta 20 MW por metro cuadrado, que es comparable con el flujo de potencia en la superficie del Sol (60 MW por metro cuadrado), y más alto que los experimentados por las naves espaciales cuando entran en la atmósfera terrestre.

Video 3 – Edificios e infraestructura del Proyecto ITER
 

La construcción de los elementos principales del reactor ITER se concluirá en el año 2024 y estará seguida de pruebas para comprobar que dichos componentes funcionan de acuerdo a lo esperado en el año 2025. Tras superar esta fase, se añadirán componentes auxiliares del reactor en dos periodos entre 2026-28 y 2030-2031; cada uno de estos periodos estará seguido de fases de explotación experimental del reactor utilizando hidrógeno convencional y helio, esto es, sin producir energía de fusión. Finalmente, tras adquirir la experiencia de operación del reactor en estas dos fases, se introducirá deuterio y tritio en el reactor en 2036 y la fase de investigación sobre la producción de energía de fusión dará comienzo. Esta fase se extenderá durante al menos una década y en ella se optimizará la producción energía de fusión tanto en magnitud como en duración y se investigarán aspectos operacionales para la siguiente generación de reactores de fusión cuya construcción se espera comenzar en la segunda mitad de la década de 2030.

El conocimiento científico y tecnológico generado durante la construcción del ITER así como durante su explotación se comparte entre todos los países miembros del proyecto, reflejando de manera ejemplar el espíritu de colaboración global que ha guiado la investigación en fusión nuclear desde sus orígenes en la mitad del siglo XX.

Alberto Loarte

isaboya Alberto es Doctor en Física y Jefe de la División de Ciencia del ITER. El trabajo de su equipo consiste en coordinar, realizar cálculos y experimentos para el diseño detallado de componentes del ITER. También diseñan los experimentos que se llevarán a cabo en él y el plan general de experimentos.