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Avances moderados en fusión nuclear

Área: Física — sábado, 12 de octubre de 2013

Se han producido algunos avances en fusión nuclear por confinamiento inercial, pero la meta está aún muy lejos.

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La fusión nuclear es muy sencilla de realizar, basta con poner en un lugar la cantidad suficiente de elementos ligeros, como por ejemplo hidrógeno, y dejar que la gravedad comprima ese material hasta densidades lo suficientemente altas. Al objeto así obtenido se le denomina estrella. El Sol es una de ellas.
Desde hace muchos años el hombre sueña con reproducir la energía de las estrellas en la Tierra de una manera controlada sin demasiado éxito. La fusión nuclear controlada ha resultado ser una meta muy difícil de alcanzar.
La fusión “descontrolada” hace tiempo que se consiguió, pues es la bomba H. Para cebar una bomba H se necesita una bomba nuclear de fisión y esto nos da una idea de las temperaturas y/o densidades necesarias para conseguir la fusión.
El problema es que los núcleos atómicos tienen carga positiva y tienen a repelerse. Pues necesitamos juntar dos para que se produzca. Sólo si la temperatura es muy alta se puede vencer esa repulsión hasta una distancia tan corta que la fuerza fuerte puede ya operar, pues esta fuerza es de corto alcance.
Las estrellas no explotan como una bomba H porque los isótopos empleados son distintos. Si una estrella tiene que convertir cuatro núcleos de hidrógeno (protones) en un núcleo de helio (2 neutrones y 2 protones) dos de esos protones originales tienen que convertirse en neutrones y esta transformación está mediada por la fuerza nuclear débil que necesita de un tiempo para operar. De hecho, las estrellas no juntan 4 protones a la vez para conseguir helio, sino que existen unas cadenas o ciclos de fusión que están mediados por núcleos un poco más pesados (de nitrógeno, carbono y oxígeno) que hacen las veces de catalizadores de la reacción.
En el caso de la bomba H las cosas se ponen más fáciles colocando los isótopos adecuados, pues de otro modo no explotarían. Una manera puede ser usando deuterio (con un protón y un neutrón), pero en este caso mantener criogenizado el deuterio es poco práctico, así que se usa deuteuro de litio (que es un material sólido estable) para producir material fusionable a partir del litio.
En un reactor de fusión se pretende usar mezclas de deuterio o deuterio-tritio para la reacción. Hay dos aproximaciones: la fusión por confinamiento magnético y la fusión por confinamiento inercial.
En el primer caso una plasma con esa mezcla de gases se mantiene muy caliente y confinado en una rosquilla magnética (tokamak). Si la temperatura es muy elevada la fusión se produce. Esta es la opción usada por el ITER. En la segunda varios haces de luz láser pulsados ultrarrápidos inciden sobre una bolita que contiene esas mezclas de gases. Estos láseres calientan la capa superficial y como resultado se implosiona el interior. A veces el sistema está mediado por rayos X. Si la densidad alcanzada en el interior es lo suficientemente alta se produce la fusión. Ambos métodos ya produjeron fusión nuclear hace mucho tiempo. El problema es que se mete más energía en el sistema que la que es liberada.

Recientemente han salido dos noticias sobre unos avances en la fusión por confinamiento inercial. Una de ellas proviene del National Ignition Facility (NIF). En esta instalación 192 haces láser han conseguido comprimir una bolita de material fusionable de tal modo que la energía absorbida por la bolita (que es muy inferior a la energía utilizada para alimentar los láseres) es inferior a la energía liberada por las reacciones de fusión conseguidas (que a su vez esta sería mucho mayor que la energía práctica que se podría sacar de la instalación).
Sin duda es una nueva plusmarca mundial en el asunto, pero esto no coloca a la fusión controlada a la vuelta de la esquina. Para tener algo práctico habría que conseguir que un alto porcentaje de la energía gastada sea absorbida por la bolita y que la energía producida se pueda recolectar con un buen rendimiento. Ahora mismo se gasta mucha más energía que la energía producida, no ya recolectada, pues no se recolecta nada de esa energía.
Básicamente los láseres no consiguen aún fusionar todo el material de la bolita, pero la parte fusionada es una fracción apreciable que produce más energía que la absorbida.

La segunda noticia proviene de un grupo de investigación francés del CRNS. En este caso han conseguido la fusión boro-protón con un sistema de confinamiento inercial.
La fusión nuclear se produce fusionando núcleos de elementos ligeros, hasta que, llegados a un punto, la fusión de núcleos más pesados no produce energía, sino que la gasta. Las estrellas sólo fusionan hasta conseguir hierro como máximo (más o menos) y a partir de ahí explotan como supernovas. Las estrellas ligeras como el Sol ni siquiera consiguen eso y antes se transforman en gigantes rojas, después en enanas blancas y finalmente se apagan.
En teoría se pueden emplear una gran combinación de isótopos ligeros, pero la fusión es tanto más difícil cuanto más pesados sean los isótopos o elementos empleados, pues se repelen más al tener un número atómico mayor.
Hay otro problema con la fusión controlada. Muchas de las posibles reacciones de fusión producen neutrones libres. Así por ejemplo, la típica reacción de deuterio y tritio es así:

21D + 31T = 42He (3,5 Mev) + n0 (14,1 MeV).

Como se puede apreciar se producen neutrones de alta energía. Pero estos neutrones destruyen la estructura cristalina de los metales que atraviesan, haciendo que sean frágiles y, lo que es peor, pueden ser absorbidos por los núcleos atómicos del material que rodea el sistema y estos se transforman en otros elementos y/o isótopos que generalmente son radiactivos. La supuesta pureza y ausencia de residuos radiactivos de la fusión terminan en este punto. Como además los neutrones no tienen carga no pueden ser desviados por campos eléctricos y/o magnéticos.
La búsqueda de materiales para la vasija de un sistema de fusión que no sean destruidos o activados por estos neutrones ha recorrido ya gran parte de la tabla periódica. El que escribe conoce a algunos investigadores del ITER que ya van investigando por el wolframio.
Encima los neutrones son inútiles, pues se llevan parte de la energía y ésta no se puede aprovechar. La mayor parte de la energía de la reacción deuterio-tritio la portan precisamente los neutrones. Se supone que la energía que llevan las partículas cargadas sí puede calentar un blanco y hacer funcionar una máquina térmica, que, por su puesto, nunca tendrá más rendimiento termodinámico que una máquina conceptual de Carnot.
Hay reacciones de fusión que (casi) no producen neutrones, como la que usa deuterio y helio-3:

21D + 32He = 42He + p+ + 18,3 MeV

Pero no hay helio abundante en la Tierra y muchos menos 32He. Se supone que hay 32He depositado en el regolito lunar por el viento solar, pero su cantidad y posible explotación son discutibles, dado que no se ha medido directamente. Otras reacciones de este tipo son:

p+ + 63Li = 42He + 32He + 4 MeV.

32He + 63Li = 2 42He + p+ + 16,9 MeV

p++115B= 3 42He + 8,7 MeV

La última es interesante porque produce bastante energía y el boro es un elemento que se puede obtener en la Tierra. Esta es la reacción que ha logrado alcanzar por confinamiento inercial el grupo francés con sólo dos haces láser. En su instalación los láseres pulsados duran una mil millonésima de segundo y hay que esperar 90 minutos hasta el siguiente disparo.
Obviamente todavía se está muy lejos de la rentabilidad, pues se trata de sólo un primer paso, pero es prometedor. Escalando el sistema hasta el nivel de los casi 200 láseres del NIF se podría mejorar mucho la eficiencia.

En resumen, estamos un poquito más cerca de la meta, pero esta está aún muy lejos. ¿Nos salvará la fusión del calentamiento climático? La respuesta es no. La fusión controlada tardará décadas en llegar y mientras tanto seguiremos emitiendo gases de efecto invernadero. Cuando llegue, si llega, consistirá en unas instalaciones carísimas, y amortizables en mucho tiempo, que pocos países podrán pagar. Lo mejor es usar energía alternativas mientras tanto, que ya son rentables (mientras que no cobren impuestos por el Sol, claro, como sucede en España).
Si tuviéramos la fusión controlada y esta fuera barata (una hipótesis poco plausible) entonces tampoco serían buenas noticias para el medio ambiente. La Historia nos dice que cuando el ser humano ha dispuesto de más energía la ha empleado en destruir el medio a una mayor velocidad. Antes hacía falta la cantidad de energía contenida en una lechuga para producir una lechuga. Ahora hace falta varias veces esa energía para lo mismo y encima la importamos desde la otra parte del mundo, simplemente porque la energía fósil es barata.

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9 Comentarios

  1. lluís:

    Bueno,si se ha conseguido el confinamiento inercial no está mal, porque lo que es el confinamiento magnético, utilizando fuertes campos magnéticos para que actuasen a modo de “paredes” del contenedor no dió resultado.
    De todos modos, si se toma en consideración la “andanada” del último párrafo,especialmente lo de las instalaciones carísimas, uno no ve nada claro para que se prosigue invirtiendo en el campo de la fusión nuclear. Me inclino a pensar que una vez se tenga claro del todo que se puede obtener energía de fusión nuclear de manera eficiente, el resto de problemas (al menos los de tipo económico se podrían ir solventando con el tiempo, de hecho pasa con todos los productos que salen al mercado, empiezan carísimos y su precio va bajando)

  2. radek:

    Al menos ya no dicen que estamos a 20 años del reactor comercial!

  3. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    En confinamiento magnético también consigue la fusión. El problema es que tampoco es eficiente de momento. Quizás nos empeñamos en conseguir la fusión mediante estos métodos y haya otros sobre los que no pensamos.

    Por otro lado, ya no nos veremos en Facebook. La cuenta en esa red social fue declarada “corporativa” y no personal por FB y se han perdido todos los contactos y configuración. Quizás alguien denunció el hecho por la opinión vertida sobre el absurdo de querer organizar ahora unas olimpiadas o quizás por cuestiones religiosas o climáticas. En fin, quizás sea mejor así.

  4. NeoFronteras:

    RadeK:
    No lo dicen, pero piensan que es a 40 años o más.

  5. Leto Atreides:

    Gran artículo, como siempre. Sólo corregirte un pequeño detalle: lo de que en España vaya a poner un impuesto por el sol es un bulo. Leí el acta del congreso y después el BOE con la norma y por lo que te van a cobrar es por usar la red e insertar electricidad sobrante en ésta. Aunque las razones que dan para hacer esto no las comparto y encima es un varapalo para los que invirtieron en placas con el objetivo de rentabilizarlas además de un impedimento para futuras inversiones en energías renovables, siempre podrás usarlas para autoconsumo sin pagar nada.

  6. NeoFronteras:

    En los países civilizados las familias pueden producir electricidad fotovoltaica, volcarla a la red y recibir el dinero correspondiente. Con ello se reducen las emisiones y se protege la economía nacional frente a las importaciones de petroleo.
    El problema es que ahora producir esta energía es rentable, pero no lo es su almacenamiento. Las baterías son caras y malas y lo seguirán siendo por mucho tiempo.
    Uno puede colocar unos paneles, pero si quiere alumbrarse por la noche necesita corriente de fuera y es ahí en donde entran los intereses de las compañía eléctricas y sus rehenes políticos en España.
    Naturalmente si uno coloca unos paneles y los declara y está desenganchado de la red no pagará impuesto por el sol. En caso contrario sí.

    El ridículo absoluto es incluso internacional y para muestra ahí van unos enlaces:

    http://www.eleconomista.es/interstitial/volver/selfbanksep13/energia/noticias/5177205/09/13/Bruselas-expedienta-a-Espana-por-impedir-los-objetivos-en-renovables.html

    http://www.thelocal.es/20130821/spanish-solar-law-hits-international-headlines

    http://www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2013/10/131007_espana_impuesto_solar_wbm.shtml?ocid=socialflow_twitter_mundo

    http://www.elconfidencial.com/economia/2013-08-25/la-revista-forbes-se-mofa-del-gobierno-espanol-por-poner-un-impuesto-al-sol_20755/?goback=.gmp_1730017.gde_1730017_member_268619369

    http://www.forbes.com/sites/kellyphillipserb/2013/08/19/out-of-ideas-and-in-debt-spain-sets-sights-on-taxing-the-sun/

    Pero si es verdad que tiene un coste para las eléctricas el uso de la red siempre está la nacionalización de la misma a coste cero.

  7. lluís:

    Neo, por lo que respecta al comentario sobre FB,pude leer eso que cuentas.¡Menudo cabreo rezuma el comentario que les pusiste!. Bien hecho, se lo merecen. Pero no deja de ser una lástima que no nos podamos ver allí.
    En fin, un saludo Neo.

  8. Dr. Thriller:

    Salvo avances imprevisibles, que ojalá, ni en 50 años se verá un reactor de fusión comercial.

    En cualquier caso, lo que sí se debería de ir invirtiendo mucho más que me temo que no se hace es en la conversión de los flujos termodinámicos en electricidad. Que yo sepa, salvo las células fotovoltaicas, que producen energía eléctrica directamente (y reacciones químicas, claro), todos los reactores que producen una fuente de calor utilizan sistemas mecánicos para producir electricidad (igual que los propiamente mecánicos), dando unos rendimientos que son inaceptables para estas alturas, y aunque los límites teóricos termodinámicos siempre suponen una pérdida de antemano considerable, lo cierto es que estamos muy lejos de ellos.

    Porque vamos, si van a producir energía en un plasma en un Tokamak y luego van a recurrir al patetismo de los cambiadores de calor, circuito cerrado de fluido, turbinas mecánicas y demás… mejor apagar e irse, nunca mejor dicho.

    ¿Qué fue de todas aquellas investigaciones en MHD para obtener electricidad directamente desde un plasma caliente en movimiento?

  9. Horacio:

    No se debe olvidar que en el National Ignition Facility (NIF) la investigación es “mixta” un % del tiempo es usado por el ministerio de defensa, el resto es investigación pura “civil”, no todo el conocimiento generado allí va a la busca de la nueva fuente de energía “barata”?, ojalá así sea, sino a mejorar el conocimiento en en la física de la fusión de armas, aumentar eficiencia de los artefactos, por ejemplo.

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