Confusión con la fusión I

La fusión se viene anunciando desde hace décadas como la energía del futuro, libre de todos los inconvenientes de la nuclear convencional (fisión). Sin embargo, en este artículo abordamos la factibilidad de una fusión antropogénica, sus costes, combustibles necesarios y consecuencias, muy distintas al tecno-optimismo reinante. Nos lo cuenta un extrabajador del laboratorio físico de plasma en Princeton durante 25 años.

Por Daniel Jassby

Artículo publicado originalmente en Beyond Nuclear International.

La fantasía de los físicos que debemos rechazar por completo

Los reactores de fusión han sido descritos durante décadas como una fuente energética “perfecta”. Sus defensores dicen que cuando se desarrolle a nivel comercial, producirá tal cantidad de energía con tan pocos residuos que no se podrán utilizar para la generación de armas nucleares. Estos defensores también dicen que la fusión no daría lugar a ninguna catástrofe. Es decir, se pondría fin a todas las desventajas de la fisión. Y, como la fisión, un reactor de fusión tendría el beneficio de crear una gran cantidad de energía sin grandes emisiones de CO2.

Pero hay un problema: mientras que es, relativamente, fácil partir el átomo para producir energía (fisión), fusionar dos núcleos de hidrógeno para crear isótopos de helio es un “gran desafío científico” (fusión). Nuestro sol tiene reacciones de fusión constantemente, quemando hidrógeno ordinario a densidades y temperaturas enormes. Pero replicar este proceso en la Tierra, donde no tenemos una presión intensa fruto de la gravedad del núcleo solar, conllevaría alcanzar una temperatura de, al menos, 100 millones de grados centígrados. Es decir, una temperatura seis veces superior a la del propio sol. Los experimentos hasta la fecha han conducido a una generación de energía muy inferior a la necesaria para generar las temperaturas y presiones conducentes a la fusión.

Pero, mediante el uso de prometedoras nuevas tecnologías como el confinamiento magnético y el confinamiento inercial basado en láseres, la humanidad está más cerca de solucionar este problema y conseguir producir energía por medio de la fusión. Generando más energía que la necesaria para iniciar todo el proceso. Hay proyectos multinacionales colaborativos como el Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER), en Francia, donde se empezaron a construir las primeras estructuras en 2010. Se espera comenzar con los primeros experimentos en la máquina de fusión, o tokamak, en 2025.

Mientras estamos más cerca de este objetivo, necesitamos preguntarnos: ¿es la fusión una fuente de energía “perfecta”? Tras trabajar durante 25 años en el Laboratorio físico de plasma de Princeton, empecé a reconsiderar la fusión al retirarme. Mis conclusiones son que un reactor de fusión no es perfecto en absoluto y, en muchos sentidos, bastante imperfecto.

Un sol en pequeño

Como he dicho ya, las reacciones de fusión en el sol queman hidrógeno ordinario a unas temperaturas y densidades enormes, sostenidas por un tiempo de confinamiento prácticamente infinito. Esta reacción produce isótopos de helio benignos. La fusión artificial (terrícola), por el contrario, queda limitada por las muy menores densidades de partículas y el mucho más fugaz confinamiento energético. Por tanto, se ve obligada a utilizar iosótopos de hidrógeno ricos en neutrones más pesados, como el deuterio y tritio, que son más reactivos que el hidrógeno ordinario por 24 órdenes de magnitud. Piensen en el número 1 seguido de 24 ceros. Esto permite que la fusión antropogénica resulte posible con una densidad de partículas mil millones de veces inferior y un confinamiento energético un billón de veces menor que con respecto al sol. Los partidarios de los reactores de fusión aseguran que, una vez los desarrollen, supondrán una fuente energética “perfecta” sin compartir ninguno de los problemas de la fisión.

Pero, en oposición a la fusión solar, que usa hidrógeno ordinario, la terráquea que quema isótopos ricos en neutrones desencadena unas consecuencias nada inocuas: los haces de neutrones dinámicos suponen un 80% de la producción energética de la fusión de las reacciones del deuterio-tritio, y un 35% de las reacciones de deuterio-deuterio.

Ahora, una fuente de energía consistente en un 80% de haces de neutrones dinámicos puede ser una fuente de neutrones perfecta, pero cuesta entender que se la señale como una fuente de energía eléctrica ideal. De hecho, estos haces de neutrones conducen a cuatro desafortunados problemas de la energía nuclear: corrupción radioactiva de las estructuras, residuos radioactivos, la necesidad de protección biológica y la potencial producción de armas con plutonio 239. Es decir, más proliferación de armas nucleares y no menos, como dicen sus partidarios.

Es más, si los reactores de fusión fuesen realmente factibles, como asumimos aquí, compartirían muchos de los problemas característicos de los de fisión, como la liberación de tritio, unas desalentadoras exigencias de refrigeración y grandes costes de operación. A esto hay que añadir inconvenientes adicionales exclusivos de la fusión: el uso de combustible (tritio), que no está presente en la naturaleza y debe reponerlo el propio reactor, y el inevitable consumo energético, que reduce considerablemente la electricidad que se puede poner a la venta.

Todos estos problemas son endémicos de cualquier reactor de fusión de confinamiento magnético o de confinamiento inercial, y que use como combustible deuterio-tritio o solo deuterio. Como sugiere el nombre, en la fusión de confinamiento magnético, se utilizan los campos magnéticos y eléctricos para controlar el muy caliente combustible de la fusión. Un material que toma una forma difícil de manejar y controlar, conocida como plasma. En el confinamiento inercial, se recurre a los rayos láser o los haces iónicos para presionar y calentar el plasma. El ejemplo más conocido de la fusión de confinamiento magnético es el tokamak con forma de donut en construcción ahora en el ITER. El ejemplo de la fusión de confinamiento inercial lo tenemos en las microexplosiones inducidas por láseres en la estadounidense National Ignition Facility.

No se puede reponer el combustible de tritio

Las personas que trabajan en la fusión prefieren la reacción de deuterio-tritio porque su reactividad es 20 veces mayor que la de deuterio-deuterio, y aquella es más poderosa con un tercio de la temperatura requerida para esta. De hecho, una mezcla a partes iguales de deuterio y tritio puede ser el único combustible viable para la fusión en el futuro más inmediato. Mientras que el deuterio está presente en el agua, cuesta encontrar tritio porque este isótopo es radioactivo con una vida media de solo 12,3 años. La principal fuente de tritio son los reactores de fisión.

De adoptarse, la fusión basada en deuterio-tritio sería la única fuente de energía eléctrica que no emplea un combustible presente en la naturaleza o convierte en energía un fenómeno natural como la solar, la eólica, la hidroeléctrica o la geotérmica. El tritio se genera mediante la propia energía nuclear.

El tritio consumido por la fusión puede, teóricamente, regenerarse para las reacciones nucleares. Para conseguir este objetivo, debe colocarse una “capa” que contenga litio alrededor del medio en reacción, nuestro amigo el plasma. Los neutrones producidos por la reacción de fusión irradiarán el litio, generando tritio.

Pero existe un gran inconveniente: la capa de litio solo puede cubrir parcialmente el reactor dada la necesidad de un bombeo de vacío, la inyección de combustible y haces en los reactores de fusión de confinamiento magnético, y para haces y eliminación de partículas en reactores de confinamiento inerciales. Sin embargo, el análisis más completo indica que puede haber hasta un superávit del 15% en la regeneración de tritio. Pero en la prácica, cualquier excedente será necesario para mantener la extracción incompleta y el procesamiento del tritio engendrado en la capa.

Reemplazar el tritio quemado en un reactor de fusión, sin embargo, solo aborda una mínima parte de la muy importante reposición del combustible. Menos del 10% del combustible inyectado se quemará en un dispositivo de fusión de confinamiento magnético antes de abandonar la zona de la reacción. La mayor parte del tritio inyectado debe, por tanto, recogerse de las superficies e interiores de la miríada de subsistemas del reactor y reinyectarse entre 10 y 20 veces antes de quemarse por completo. Si solo un 1% del tritio no quemado no se recupera y reinyecta, incluso el mayor superávit posible del proceso de regeneración con la capa de litio no compensaría el tritio perdido. Para comparar, en las dos instalaciones de fusión de confinamiento magnético en las que el tritio se ha utilizado (el reactor de prueba de fusión tokamak de Princeton y el Joint European Torus), no se recuperó nunca un 10% del tritio inyectado.

Continúa en la segunda parte.

Daniel Jassby, físico nuclear

Traducción de Raúl Sánchez Saura.

Fuente:

Daniel Jassby, Confusión con la fusión I, 27 marzo 2023, El Salto Diario.