En la mañana del 13 de diciembre pasado, mientras la gente se preparaba para las fiestas de fin de año, funcionarios del Departamento de Energía de Estados Unidos, en Washington D.C., anunciaron en una conferencia de prensa lo que definieron, quizá de manera un tanto exagerada, como “uno de los logros científicos más impactantes del siglo XXI”. Aproximadamente una semana antes, el 5 de diciembre, en un experimento llevado a cabo en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), en California, se había conseguido producir en un hecho inédito más energía que la consumida en una reacción de fusión nuclear, la misma que hace que el Sol brille y que es la base de las armas termonucleares, las popularmente llamadas bombas de hidrógeno. Los físicos denominan a esto ignición por fusión, cuando se obtiene una ganancia de energía mayor que la consumida.
Hasta entonces, todos los intentos de producir una fusión nuclear más eficiente tropezaban con el mismo gran problema, independientemente del método elegido para conseguir ese objetivo: el consumo de energía para producir la reacción era mayor que la energía producida en el proceso. Este límite era, y aún es, el gran talón de Aquiles de la fusión nuclear como vía alternativa para proveerle energía limpia a la humanidad.
Lo cierto es que las cifras del experimento realizado en California son modestas en cuanto a la cantidad de energía generada y se produjeron bajo condiciones sumamente singulares, que no pueden replicarse en ningún otro lugar del mundo. La ignición por fusión nuclear se obtuvo en el National Ignition Facility (NIF), uno de los laboratorios del LLNL, que comenzó a operar a principios de la década pasada y costó 3.500 millones de dólares. Se trata de la mayor y más potente instalación del mundo para generar rayos láser. Los científicos del NIF venían diciendo desde 2012 que conseguirían realizar la ignición por fusión, pero recién a finales del año pasado cumplieron con lo prometido.
La fusión nuclear en las dependencias del NIF se obtuvo mediante el empleo de un conjunto de 192 haces de luz láser. Toda esta luz pudo concentrarse y direccionarse hacia el interior de un cilindro metálico en el que una cápsula plástica del tamaño de una pequeña arveja contenía 150 microgramos de dos isótopos (variedades) de átomos de hidrógeno, el elemento químico más abundante en el Universo: deuterio, cuyo núcleo contiene un protón y un neutrón, y tritio, que tiene un protón y dos neutrones. El calentamiento súbito del cilindro produjo la emisión de un espectro de luz (radiación de cuerpo negro), que incrementó de manera uniforme la temperatura de la superficie de la cápsula hasta alcanzar los 100 millones de grados Celsius (ºC), unas 10 veces más que la que alcanzan las estrellas durante la fusión. Semejante calor hizo explotar la cápsula y generó una onda de choque que comprimió la mezcla de deuterio y tritio causando la fusión nuclear.
El experimento produjo 3,15 megajulios (MJ) de energía, un 50 % más que la que los láseres depositaron en el cilindro. Todo esto ocurrió en milmillonésimas de segundo, el tiempo total que duró el experimento. “La cantidad de energía generada es suficiente como para hervir algo así como 10 litros de agua”, compara Gustavo Canal, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), experto en fusión nuclear. “La importancia de este experimento no prueba que vayamos a utilizar reactores láser para promover la fusión nuclear a gran escala. Esa es una forma muy cara e ineficiente de estimular esta reacción. Pero sí demuestra que es posible obtener la ignición por fusión en laboratorio. Fue una prueba de concepto”.
Las estrellas utilizan la fusión nuclear para generar su propia energía en forma casi inagotable. Esta reacción, que se produce bajo condiciones extremas de temperatura y presión, promueve la unión de los núcleos del deuterio y del tritio. Al fusionarse, forman un elemento más pesado, el helio, también denominado partícula alfa, y al final del proceso liberan energía. El núcleo del helio posee dos protones y dos neutrones. Al final de la reacción, un neutrón que escapó de la fusión del deuterio y el tritio es liberado al ambiente (véase el gráfico).
Desde hace más de 70 años la humanidad busca dominar este proceso con fines pacíficos, es decir, para generar energía sin contaminar el ambiente ni agotar los recursos naturales del planeta. La fusión no emite, por ejemplo, gases de efecto invernadero y, a diferencia de la fisión nuclear promovida en las centrales atómicas, como en las de Angra dos Reis, en el estado de Río de Janeiro, genera una cantidad pequeña y temporal de radiactividad. “En la Tierra tenemos fuentes casi infinitas y renovables de deuterio, que puede encontrarse en el agua de los grandes lagos y en los océanos. En tanto, el tritio puede generarse mediante la reacción nuclear del neutrón con el litio”, dice José Helder Facundo Severo, coordinador del Laboratorio de Física de Plasmas del IF-USP. “Pero a pesar de los avances, aún nos hacen falta décadas de investigación para tal vez un día poder transformar la fusión nuclear en una fuente de energía factible para la sociedad”.
Antes de Severo, el responsable del Laboratorio de Física de Plasmas de la USP era Ricardo Galvão, exdirector del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, en portugués), nombrado en enero presidente del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) (lea el artículo “capa”). Brasil es el único país del hemisferio sur que dispone de tokamaks, máquinas capaces de promover la fusión nuclear mediante el confinamiento magnético de un plasma de deuterio y tritio. La mayor de ellas, aunque pequeña en comparación con otros proyectos extranjeros, se encuentra en el Laboratorio de Física de Plasmas del IF-USP.
General AtomicsReactor de fusión nuclear del tipo tokamak en San Diego (Estados Unidos), operado por la empresa General AtomicsGeneral Atomics
Con fines bélicos, cuyo propósito es contar con armas eficaces, la fusión nuclear, aunque incontrolada, se produce desde los años 1950, cuando aparecieron las primeras bombas de hidrógeno, miles de veces más potentes que una bomba atómica convencional, basada en la fisión (ruptura) del núcleo atómico. No es casual que la fase de ignición por fusión se haya conseguido en un complejo de investigación militar. Físicos independientes, no vinculados al NIF, hacen hincapié en que la ganancia de energía de la fusión nuclear obtenida en el experimento de California tuvo lugar en condiciones extremadamente particulares, que difícilmente servirán de base para la concreción de emprendimientos civiles y no pueden reproducirse en otras instalaciones.
Para hacerse una idea de estas dificultades y limitaciones, basta mencionar que el NIF necesita funcionar durante ocho horas ininterrumpidas para poder llevar a cabo un experimento como el dado a conocer en diciembre de 2022. En otras palabras, con su eficiencia actual, si pudiera funcionar durante 24 horas seguidas, el NIF produciría energía suficiente para hervir, como máximo, unos 30 litros de agua.
El físico Mark Herrmann, director del programa de física y diseño de armamento del NIF, admitió en una conferencia de prensa a finales de 2022 que el dominio de la fusión nuclear para generar energía en términos comerciales aún es una meta lejana. “El NIF no ha sido diseñado para ser eficiente”, dijo Herrmann. “Fue concebido para ser el mayor láser que podríamos construir para proveernos la información que necesitamos en el programa de investigaciones de nuestro arsenal nuclear”.
Debido a las restricciones a las pruebas con bombas basadas en la fusión nuclear, las investigaciones militares en este campo de la física resultan esenciales para mejorar y mantener los arsenales de este tipo de armamento. Cuando todavía trabajaba en la Universidad de Princeton, en 2016, Gustavo Canal fue invitado a dar una conferencia en el NIF. Le pidieron que llevara su presentación en un pen drive. “Allí no se puede ingresar con una computadora”, recuerda el físico de la USP. “Me escoltaron hasta para ir al baño”.
Una crítica que algunos científicos le hacen al experimento del NIF es el razonamiento que utilizaron para afirmar que hubo más generación que gasto de energía. La cantidad de energía que el conjunto de láseres aplicó sobre la cápsula que contenía deuterio y tritio fue de 2,05 MJ y la fusión de sus núcleos generó 3,15 MJ.
Pero para poner en funcionamiento el conjunto de 192 haces láser se consumieron 300 MJ, casi 100 veces más que lo que proporcionó la propia reacción de fusión. Las instalaciones del NIF ocupan una superficie equivalente a tres campos de fútbol americano. Los láseres recorren todo ese espacio y pasan por una serie de procesos, tales como amplificación y concentración, antes de alcanzar su configuración final con la que impactan sobre la muestra de deuterio y tritio.
“Dicen que esa reacción de fusión en el NIF produjo por primera vez más energía que la que insumió. Pero esto realmente depende de cómo se haga la cuenta”, reflexiona el físico Adam E. Cohen, de la Universidad Harvard, en una entrevista ‘concedida al periódico The Harvard Gazette. “Es algo así como pasar agua de mano en mano. A cada paso del camino se pierde un poco. En este caso, hubo más energía liberada por la reacción de fusión que la que aportaron los fotones de luz que comprimieron y calentaron la cápsula [con deuterio y tritio]. Pero si tomamos en cuenta la energía eléctrica utilizada para hacer que los láseres produzcan esa luz, el gasto de energía fue mucho mayor que el liberado por la reacción”.
Para que se produzca la fusión nuclear, los núcleos atómicos del deuterio y del tritio deben superar un obstáculo natural que les impide colisionar y fusionarse: la fuerza electrostática. También conocida como ley de Coulomb, esta fuerza hace que las partículas cargadas eléctricamente, como los protones (positivos) y lo electrones (negativos) sean atraídos por sus homólogos de carga opuesta y repelidos por aquellos con una carga idéntica. Por lo tanto, en condiciones normales, un núcleo de deuterio, que tiene un protón y un neutrón, será repelido por un núcleo de tritio, que posee un protón y dos neutrones.
Iter OrganizationConstrucción del Iter, en el sur de Francia, el mayor reactor nuclear por confinamiento magnético de plasmaIter Organization
Pero si se comprime lo suficiente uno contra el otro a estos dos núcleos, puede llegar un punto en el que, al estar tan cerca, la fuerza electrostática repulsiva será superada por la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza es la que hace que neutrones y protones queden alojados en el interior del núcleo atómico. Cuando se produce este grado exacerbado de proximidad, los dos núcleos más livianos del deuterio y del tritio se fusionan y generan un núcleo más pesado, el del helio (con dos protones y dos neutrones).
Las estrellas realizan este proceso de manera espontánea. El efecto de su campo de gravedad es tan descomunal que, naturalmente, produce una compresión extrema de los núcleos de esos dos isótopos del hidrógeno, generando las condiciones ideales para que ocurra la fusión nuclear. “En laboratorio, la forma en que comprimimos los núcleos atómicos es promoviendo su confinamiento, mediante la aplicación de grandes campos magnéticos, como ocurre en los tokamaks, o bien utilizando láseres potentes, como en el caso del NIF”, explica Canal. En los reactores de fusión, la fuerza de confinamiento, que comprime los núcleos atómicos unos contra otros, es menor que el efecto de la gravedad del Sol en los isótopos de hidrógeno. Es por esto que se necesita calentar el plasma en el interior de los tokamaks a temperaturas 10 veces superiores a la que se produce la fusión en las estrellas. La mayor temperatura en los reactores procura compensar la menor compresión proporcionada por los campos magnéticos en comparación con el efecto de la gravedad sobre la masa de las estrellas.
Casi toda la investigación en el campo de la fusión nuclear se realiza en tokamaks de diversos tamaños, desde los más pequeños, como el de la USP, hasta los más grandes, como el Joint European Torus (JET), instalado en el Reino Unido. En la actualidad, el JET es el tokamak más potente en funcionamiento, pero en los próximos años será superado por el International Thermonuclear Experimental Reactor (Iter). Se trata del mayor proyecto internacional para un reactor de este tipo, cuya dirección comparten siete grandes socios (la Unión Europea, Estados Unidos, China, India, Japón, Rusia y Corea del Sur).
En construcción desde 2010 en la ciudad de Cadarache, en el sur de Francia, el Iter tiene como objetivo probar la factibilidad económico-científica de la producción de energía a partir de la fusión nuclear. La meta es generar 500 megavatios (MW), 10 veces más energía que la que consumirá para su funcionamiento. Su costo total se ha estimado en unos 20.000 millones de euros, casi tres veces el valor del presupuesto inicial, y será puesto en marcha en 2025, siempre y cuando no haya retrasos.
Pese a que, en cierta medida, compiten con las investigaciones realizadas en el NIF, los directores del Iter celebraron el resultado divulgado el pasado diciembre por sus colegas estadounidenses. “Cuando las generaciones futuras repasen la evolución de la investigación sobre la fusión nuclear, creo que [ese experimento] será reconocido como un hito histórico”, dijo el ingeniero electrónico italiano Pietro Barabaschi, director general del Iter, en declaraciones a la prensa.
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