Por Ricardo Farengo , jefe del grupo de fusion de CENTRO ATOMICO BARILOCHE
Ricardo Farengo Grupo de Fusion CAB
La energía del sol y las demás estrellas es producida por reacciones de fusión nuclear. En una reacción de fusión se unen (fusionan) los núcleos de dos átomos livianos para producir uno más pesado. En este proceso una pequeña cantidad de materia se transforma en energía, que podría ser utilizada para producir electricidad. La fusión nuclear no debe confundirse con la fisión nuclear, que es el proceso utilizado en las centrales nucleares en operación. La fusión tiene una serie de ventajas respecto de la fisión por lo que se eliminarían muchos de los cuestionamientos existentes al uso de la energía nuclear. En un reactor de fusión no puede producirse un accidente en el que se derrita el núcleo, no se producen desechos que deban enterrarse durante miles de años y no se producen materiales que puedan utilizarse para fabricar armas nucleares.
El problema fundamental de la fusión, lo que ha demorado su desarrollo, es que para poder utilizarla en un reactor comercial es necesario mantener el combustible con suficiente densidad a muy alta temperatura, unos 100 millones de grados centígrados. A estas temperaturas los átomos del combustible se rompen, separándose en iones (carga positiva) y electrones (carga negativa). Esta mezcla de iones y electrones a muy alta temperatura constituye un plasma (cuarto estado de la materia).
La reacción de fusión más fácil de producir, la que requiere menor temperatura, es la fusión de un núcleo de deuterio (D) con uno de tritio (T), ambos isótopos del hidrógeno. El deuterio es muy abundante y puede obtenerse del agua de mar. El tritio casi no existe en estado natural y deberá ser producido dentro del reactor a partir de litio. Por lo tanto, los combustibles primarios de un reactor de fusión son el deuterio y el litio.
Debido a su alta temperatura el plasma tiende a expandirse y enfriarse. En las estrellas la fuerte atracción gravitatoria impide que esto ocurra. A escala terrestre existen dos opciones, llamadas confinamiento magnético (CM) y confinamiento inercial (CI), para alcanzar las condiciones necesarias para producir suficientes reacciones de fusión. En CM
se utilizan campos magnéticos para evitar que el plasma entre en contacto con las paredes del reactor y se enfríe. Dependiendo de la geometría de los campos magnéticos y del método utilizado para producirlos se identifican diferentes conceptos, siendo el tokamak (acrónimo de cámara magnética toroidal en ruso) el más avanzado. En CI se utiliza un láser o haz de iones de muy alta potencia para comprimir y calentar una pequeña pastilla de combustible. En este caso se producen microexplosiones termonucleares y sería necesario repetir el proceso varias veces por segundo para alimentar el reactor.
En los dos últimos años hubo importantes avances, tanto en CM como en CI. En diciembre de 2021 el tokamak JET (Joint European Torus), operado por la Comunidad Europea, produjo una cantidad récord de energía por fusión (59 MegaJoules) en una descarga que se mantuvo durante 5 segundos. También en diciembre de 2021 un tokamak Chino llamado EAST superó los 1.000 segundos de operación continua a alta temperatura. Finalmente, el tokamak ITER, diseñado para producir 500 MW de potencia de fusión y financiado conjuntamente por la Comunidad Europea, Japón, EEUU, Rusia, China, Corea del Sur e India, superó el 80% de su construcción. Por otro lado, en experimentos de CI realizados en el NIF (“National Ignition Facility”, EEUU), en diciembre de 2022, se consiguió por primera vez que las pequeñas pastillas de combustible produjeran más energía por fusión que la depositada en ellas por el láser.
Además de los avances realizados en proyectos financiados con recursos estatales, un creciente número de empresas privadas apuesta al desarrollo de la fusión como fuente de energía. En su mayoría, estas empresas trabajan en tecnologías novedosas que podrían resultar en una reducción significativa de los costos de capital y tiempos de desarrollo.
Un ejemplo de ésto es la utilización de materiales superconductores que pueden operar a mayores temperaturas y con campos magnéticos más intensos para la construcción de los grandes imanes empleados en los dispositivos de CM.
El incremento de la actividad privada ha llevado a la creación de la “Fusion Industry Association” y a un aumento muy significativo en monto de los recursos invertidos. Actualmente hay más de 30 empresas privadas trabajando en fusión y la inversión conjunta del año 2021 ascendió a 2500 millones de dólares. Estas empresas están radicadas fundamentalmente en EEUU, Inglaterra y Canadá, pero también hay actividad privada en Australia, Alemania y Japón. Para fomentar la actividad de las empresas privadas el gobierno de EEUU anunció recientemente un programa por el que entregará a las empresas un monto igual al obtenido de inversores privados.
El Dr RICARDO FARENGO es Licenciado y Doctor en física de la Facultad de Ciencias Exactas de la UBA.. Investigador de la CNEA en el Centro Atómico Bariloche. Jefe de la Sección Fusión Nuclear y Física de Plasmas. Profesor del Instituto Balseiro.