Que es la fusion nuclear y por qué cambiara el destino de la humanidad
La fusión nuclear es la única salida limpia que tiene la humanidad para sostener la tendencia del consumo energético y a la vez reducir drásticamente la contaminación ambiental Además es segura, y no deja residuos reactivos. Cuando la humanidad domine esta tecnología, se acabarán los problemas energéticos para siempre y abrirá las puertas a procesos que son imposibles hoy, como la descarbonización de la atmosfera, la desalinización de los mares y los viajes espaciales. Todo sera eléctrico y el precio de la electricidad sera muy económico. Además, al ser desarrollada de manera conjunta por muchos países, es más probable un acceso igualitario a la misma. La unica desventaja: hace 70 años que venimos lidiando con este desafío tecnológico, y no parece qué seamos capaces de resolverlo antes de la segunda mitad del siglo.
La energia nuclear es la fuente de energia más poderosa del universo que conocemos. A diferencia de las reacciones químicas que involucran el reordenamiento de los electrones entre átomos mientras que las reacciones nucleares involucran reordenamiento de nucleones (partículas que forman el núcleo atómico: protones y neutrones). Los electrones están ligados a los átomos por la fuerza electromagnética mientras que los nucleones están ligados entre sí por la fuerza nuclear fuerte. y esta última es mucha más fuerte. Entonces, las reacciones nucleares obtienen su energia de la fuerza nuclear fuerte mientras que las reacciones químicas los hacen de la fuerza electromagnética. Y esto supone una diferencia de millones de veces.
Hay distintas maneras de liberal energia nuclear: fisión nuclear, fusión nuclear y aniquilación partícula-antipartícula. Todas ellas se basan el mismo principio: la conversion de masa en energia según la ecuación más famosa de la ciencia:
La diferencia entre ellas es el proceso mediante el cual, la masa se convierte en energia. En la fisión nuclear 1 átomo de algún elemento pesado se parte en 2 átomos de elementos más livianos y la masa resultante es 0,1% menor que la masa inicial. En la fusión nuclear, 2 átomos de algún elemento liviano se unen para formar 1 átomo de algún elemento más pesado y la masa resultante es 0,65% menor que la masa inicia, esto es unas 6,5 veces más energia que la fisión. En la aniquilación partícula-antipartícula, 2 partículas se aniquilan transformando el 100% de sus masas en energia. Resultando en un proceso, que entrega más de 150 veces más energia que la fusión.
La aplicación práctica de estos 3 procesos en la generación de energia es bien distinta. La fisión nuclear es el proceso que utilizan todos los reactores nucleares. Es la tecnología más limpia que existe desde el punto de vista de la huella de carbono, pero genera desechos nucleares y es potencialmente peligrosa pues la operación implica mantener un proceso al límite de salirse de control y convertirse en una explosión. La aniquilación partícula-antipartícula, requiere de antimateria, que prácticamente no existe en la naturaleza. Por el momento, está muy lejos del alcance tecnológico humano. La fusión nuclear, es un proceso conocido, más energético que la fisión, igualmente limpio e inherentemente más seguro, pues la reacción no puede salirse de control (de hecho, esta siempre al límite de interrumpirse). Además, no genera residuos nucleares. El problema es que se requieren temperaturas 10 veces superiores a del núcleo del Sol. Generar esas temperaturas y contenerlas en un desafío tecnológico que lleva más de 50 años.
Fisión Nuclear: la energia nuclear tradicional
En la fisión nuclear, se parten átomos de elementos pasados, obteniendo en el proceso átomos de elementos más livianos. La masa resultante de este proceso es un 0,1% menor que la masa inicial. Esta pérdida de masa es la que libera la energia que usan todas las centrales nucleares que existen.
En los reactores nucleares se fisiona uranio obteniendo bario y criptón y una energia de alrededor de 200 MeV por fisión o 0,85 MeV por nucleón.
La energía generada se utiliza para alimentar una central térmica (se calienta agua) que a su vez genera electricidad. Este proceso es extremadamente limpio, pues casi no tiene huella de carbono. Sin embargo, este proceso tiene 2 grandes inconvenientes. El primero es que genera residuos nucleares radiactivos, que hay que procesar. El segundo es que la reacción nuclear de fisión es una reacción en cadena que debe ser mantenida al límite de salirse de control. Si se sale de control, se convierte en una explosión nuclear. Tristemente, conocemos las consecuencias de esto.
Fusión Nuclear: la energia de las estrellas
En la fusión nuclear, por el contrario, se fusionan átomos livianos, en átomos más pesados. Luego de este proceso, la masa resultante es un 0,65% menor que la masa original. Esta perdida de masa, como puede verse, es mayor que en la fisión y por esta razón, la fusión nuclear es mas energética que la fisión.
La fusión nuclear es el proceso que mantiene a las estrellas brillando por miles de millones de años. En los núcleos de las estrellas, átomos de hidrogeno son fusionados en helio. Este proceso requiere mucha temperatura, al menos 15 millones de grados. Luego, dependiendo de su masa, la estrella podrá fusionar elementos más pesados del carbono al hierro. Pero cada subsiguiente proceso de fusión requiere más temperatura y es menos eficiente que el anterior.
Para poder construir un reactor de fusión nuclear es necesario alcanzar temperaturas de al menos 150 millones de grados, esto es 10 veces la temperatura del núcleo del Sol. ¿Pero por qué? Porque el proceso de fusión en las estrellas como el Sol es muy ineficiente. Solo 1 de cada 10E25 colisiones de núcleos de hidrógeno resulta en fusion. Al Sol no le preocupa la eficiencia, dispone de una cantidad de hidrogeno inimaginable.
En la práctica, la reacción de fusión más eficiente es la de deuterio (isotopo de hidrogeno con 1 neutron) y tritio (isotopo de hidrogeno con 2 neutrones) en helio.
Este proceso libera una energia de 17,6 MeV for fusión o 3,5 MeV por nucleón, unas 4 veces más que la fisión del uranio. El deuterio es un isotopo natural que puede encontrarse con cierta facilidad, uno de cada 67 átomos de hidrogeno es deuterio. Hay tanto deuterio en los océanos como para alimentar generadores por billones de años. Pero el tritio no es tan común de encontrar en la naturaleza. En la práctica es necesario crearlo. La buena noticia es que es relativamente fácil de crear a partir del litio. Asi pues el neutron libre producto de la fusión de deuterio y tritio puede usarse para convertir litio en helio y tritio que se realimentara. Osea que, en la práctica, el combustible sera deuterio y litio con una traza de tritio para encender,
Como mencionamos la fusión nuclear no solo es una tecnología limpia como su hermana la fisión, sino que además es inherentemente mucho más segura. La reacción jamás puede salirse de control, de hecho, es altamente sensible de detenerse. Además, a diferencia de un reactor de fisión que contiene enormes cantidades de combustible, el reactor de fusión solo tiene combustible para los próximos 10 segundos. Finalmente, y no menos importante, no genera residuos nucleares radiactivos, por los materiales que son alcanzados por los neutrones libres y solo de manera moderada. Una panacea. Sin embargo, alcanzar temperaturas superiores a los 100 millones de grados y contener esa mezcla gaseosa llamada plasma en algún tipo de recipiente es todo un desafío tecnológico que lleva más de 7 décadas.
Reactores de Fusión
El principal desafío en la fabricación de un reactor de fusión es como contener el plasma a 100 millones de grados. Simplemente ningún recipiente puede contener esa temperatura. En el núcleo de las estrellas es la enorme fuerza de gravedad la que se encarga de esta tarea.
Desde la década de los 50s, las ideas propuestas para esta difícil tarea no han variado mucho. Todas ellas se basan en sostener el plasma literalmente flotando dentro de un campo magnético. La camara de combustion dentro de la cual se mantendría el plasma debería tener una forma toroidal o similar. El problema es hacer que el plasma quede suspendido inmóvil dentro del toroide el tiempo suficiente para que el plasma alcance las temperaturas de fusión. Para lograr que el plasma se mantenga en el centro del toroide y no caiga hacia las paredes del toroide es necesario un campo magnético helicoidal.
Distintas estrategias se probaron, pero la mayoría de ellas son variantes de dos ideas. La primera consiste en cambiar la camara de combustion a una forma toroidal helicoidal y un complejo sistema de bobinas toroidales combinadas con bobinas helicoidales.
Esta configuración es la base de los prototipos llamados Stellarators. Los modelos actuales incorporan bobinas aún más extrañas, como se muestran en la siguiente figura:
Sin embargo, la complejidad de estos diseños estaba más allá de la capacidad tecnológica de la década de los 50s. Asi que esta solución quedo estancada 4 décadas hasta que las nuevas tecnologías en computación permitieron hacer simulaciones.
La otra alternativa, propuesta por aquella época por investigadores rusos, consiste en mantener el diseño de una camara de combustion toroidal y utilizar un poderoso campo magnético externo provistos por enormes bobinas superconductoras más un campo magnético interno provisto por una corriente eléctrica que circula por el plasma. Los prototipos basados en esta estrategia se llaman Tokamaks.
Esta fue la solución que prosperó pues aún con limitaciones adicionales que los Stellarators no tenían, eran una opción tecnológica más viable. Aun así, 7 dedadas pasaron y los Tokamaks, si bien han evolucionado mucho no han logrado aun su objetivo: producir más energia de la que consumen.
Desde la década de los 90s, los enormes avances de las computadoras permitieron realizar las simulaciones necesarias para poder avanzar con la alternativa más compleja que implican los Stellarators. Pero hoy en día, los Stellarators han dado un gran paso, y a pesar de tener 40 años de desventaja están acortando distancia con los Tokamaks. Los Stellarators son en principio más estables, más pequeños y menos costosos de construir una vez diseñados. Además, son más eficientes y pueden operar de forma continua y no en pulsos como los Tokamaks.
La mayor promesa de hoy en día es el ITER, un proyecto que involucra a más de 30 países, que incluyen a China, la Union europea, India, Japón, Corea, Russia y EEUU, y que lleva gastando más de 20 mil millones de dólares. ITER es el prototipo Tokamak más grande del mundo y se encuentra en el sur de Francia. Tiene como objetivo generar 500 MW de energia con un consumo de 50 MW para el 2025. Tiene una camara de combustion de 6,2 m de radio y 840 m3. Tiene un peso total de 23 mil toneladas y un tamaño de 30 m. En noviembre de 2022, de detectaron unos defectos de fabrication críticos que actualmente se encuentran en reparación.
Por otro lado, tenemos el Wendelstein 7-X , el Stellarator más avanzado del mundo, desarrollado por Alemania con colaboraciones menores de la union europea y EEUU, viene avanzando a paso firme, logrando sobrepasar los objetivos propuestos, demostrando que la tecnología Stellarator, aun con 40 años de retraso con respecto a la Tokamak esta de vuelta vigente y con grandes chances de ser la tecnología del futuro.
Calculos energéticos
Para entender cuanta energia libera un proceso nuclear como la fisión y la fusión, podemos imaginarlo en términos de (masa inicial – masa final) x c2. O podemos verlo según la curva de energia de enlace. La energia de enlace es la energia que hay que sumarle a un núcleo atómico para hacer que sus nucleones se separen. Esto significa que la suma de las masas de los nucleones de un núcleo atómico es siempre menor a la masa del núcleo.
Por ejemplo, el Litio 7, que posee 3 protones y 4 neutrones posee una energia de 6531,90 MeV, y sus nucleones sumados poseen una energia de 6573,12 MeV, es decir, 41,22 MeV más. Esto significa que el energia de enlace es de 41,22 MeV o de 5,89 MeV por nucleón. Para desarmar un núcleo en sus nucleones debo agregar energia. Al armarlo libero energia.
La siguiente tabla muestra la energia de enlace por nucleón en función de los distintos elementos.
En ella puede verse que los átomos de hierro son los que poseen una energia de enlace por nucleón más alta. Atomos más pesados poseen menor energia de enlace por nucleón cuanto más pesado sean de manera progresiva. Atomos más livianos en general también bajan de manera progresiva, aunque hay algunas excepciones.
Por esta razón, átomos más pesados que el hierro liberan energia al fisionarlos. Por ejemplo, para fisionar un átomo de Uranio 235 necesitamos 235 x 7,56 MeV = 1776 MeV pero la fisión genera Bario 139 que tiene una energia de 139 x 8,3 = 1154 MeV y Cripton 95 que tiene una energia de 95 x 8,6 = 817 MeV. Osea que U235 (1776,6 Mev) = Ba139 (1163,01 MeV) + Kr95 (794,675) + Energia liberada, donde la Energia liberada es de 198 MeV
De la misma manera átomos más livianos que el hierro generan energia al fusionarse. en especial el hidrogeno en helio que es donde la curva es más empinada.