Hito histórico de EEUU en fusión nuclear: qué falta ahora para tener energía inagotable

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Mientras nosotros seguimos con nuestras vidas, la historia de la ciencia va marcando fechas en el calendario que, vistas con perspectiva en un futuro, habrán cambiado el mundo. Este martes, 13 de diciembre de 2022, puede ser una de ellas. Como estaba previsto, el Departamento de Energía de EEUU ha realizado un anuncio sin precedentes acerca de la fusión nuclear. Durante décadas, esta fuente de energía que promete ser inagotable ha sido objeto de broma entre los físicos, cuando afirman que estamos a 50 años de conseguir el primer reactor, que siempre lo hemos estado y que siempre lo estaremos, aludiendo así a que nunca se dan los pasos decisivos para avanzar.

La información, adelantada por el Financial Times y ahora confirmada por la secretaria de Energía de EEUU, Jennifer Granholm, es precisamente la resolución del nudo gordiano que impedía el desarrollo de esta tecnología: por primera vez un experimento ha conseguido generar más energía de la que ha introducido para conseguir la fusión nuclear, lo que se conoce como ganancia neta. Este hito histórico corresponde al Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, ubicado en California, que el pasado 5 de diciembre logró producir 3,15 megajulios de energía tras emplear 2,05 megajulios en la National Ignition Facility (NIF), uno de los edificios que forman parte de sus instalaciones. ¿Qué han hecho exactamente? ¿Qué consecuencias tendrá para la producción de energía? ¿Cuándo lo veremos?

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Jesús Díaz

Para los expertos, la noticia es impactante. “Es un hito muy importante para el campo de la fusión”, comenta desde Boston en declaraciones a Teknautas Pablo Rodríguez Fernández, investigador español en el Plasma Science and Fusion Center del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Hace poco más de dos meses, en una entrevista concedida a este periódico, se mostraba muy optimista con el potencial que tiene esta energía, pronosticando que en 2035 podría estar lista una planta piloto. Sin embargo, el NIF ha conseguido este logro por una vía “diferente al estándar que se usa para investigar las plantas de producción de energía”, destaca. Mientras que la apuesta más conocida está basada el uso de campos magnéticos, los científicos de California han utilizado tecnología láser, en concreto, disparando 192 láseres de forma simultánea.

Este experto del MIT considera que los resultados obtenidos por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore pueden ser clave “para entender la física que hay en común y avanzar en ambos campos”. ¿Por qué es tan importante esta distinción entre los dos modos de lograr la fusión? Rodríguez trabaja en un experimento conocido como SPARC, impulsado por una spin-off del MIT, que también va a tratar de obtener energía neta en los próximos años, pero gracias al magnetismo. Sobre esa idea también se sustenta el experimento ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, en español Reactor Termonuclear Experimental Internacional), que está en construcción en el sur de Francia, con un coste previsto de 24.000 millones de euros.

Si de repente la tecnología láser adelanta por la derecha a estos proyectos públicos y privados, cambiaría el camino previsto hacia la obtención de una energía verde e inagotable. Los plazos, que aún se miden en décadas, pueden acelerarse y las tecnologías podrían ser muy diferentes a lo que estaba previsto. Dicho de otra forma: este anuncio podría poner patas arriba la ciencia y el futuro de la energía en el mundo, pero aún es demasiado pronto para saberlo.

En España, la única institución que se ha centrado en la investigación de este tipo de fusión nuclear es el Instituto de Física Nuclear Guillermo Velarde, de la Universidad Politécnica de Madrid. De hecho, lleva décadas colaborando con el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California. Por eso, su presidente, José Manuel Perlado, conocía la noticia hace días a través de sus colegas de California y es capaz de relatar todos los detalles del experimento que ha obtenido energía neta por fusión nuclear por primera vez en la historia.

Cómo se ha logrado

La fusión nuclear consiste en la unión de núcleos atómicos, lo que libera muchísima energía. De hecho, es lo que ocurre en las estrellas como el Sol: dos núcleos de hidrógeno se unen para convertirse en helio. Para que ocurra es necesario alcanzar temperaturas de cientos de millones de grados. ¿Cómo se hace eso en la Tierra? Una forma de hacerlo es unir el deuterio y el tritio, que son isótopos de hidrógeno. Los científicos de California lo han logrado gracias a la fusión por confinamiento inercial vía láser. “Este sistema emplea láseres que logran que la materia alcance densidades altísimas, muy similares a las del centro del Sol y con una temperatura que también es parecida”, comenta Perlado.

En los experimentos del NIF se utilizan cápsulas de hidrógeno milimétricas, que son bombardeadas por disparos láser que apenas duran nanosegundos. “La materia está comprimida gracias a la inercia que se le ha dado con el láser durante una fracción muy pequeña de tiempo, pero suficiente como para extraer la energía que ha logrado este experimento y que, teóricamente, se debería superar en el futuro”, comenta el físico.

En cambio, la propuesta del ITER y de otras apuestas tecnológicas es utilizar el magnetismo para “mantener la materia confinada a baja densidad y durante largos periodos de tiempo”, una concepción distinta que, en teoría, debería dar el mismo resultado. Si los grandes proyectos científicos han optado por esta vía en lugar de por la fusión que utiliza el láser, ¿los resultados del NIF son una sorpresa? Realmente, no. El físico estadounidense John Nuckolls ya había propuesto el confinamiento inercial hace exactamente medio siglo, en un artículo publicado en Nature en 1972 y desde entonces muchos otros trabajos han ratificado la viabilidad de esta vía.

Sin embargo, el primer gran resultado salió a la luz en agosto de 2021, cuando los investigadores de California publicaron en Science un experimento que había logrado generar 1,3 megajulios tras emplear 1,9 en el disparo. Todavía no había una ganancia, pero era la primera prueba de que se podían obtener altas energías. A partir de ahí, todo se complicó, puesto que les costó mucho repetir el experimento. Según Perlado, detectaron errores en la fabricación de las pequeñas cápsulas que servían de blanco al láser y, a partir de ahí, en 2022 se han encadenado resultados positivos, especialmente, uno publicado en enero en Nature. Con la confirmación de que al fin se ha logrado una ganancia neta de energía, “se abre la puerta a obtener más y más energía”, explica el experto de la UPM, ya que “el mecanismo por el cual se ha conseguido ya se entiende perfectamente” y solo queda seguir desarrollando la tecnología.

El futuro del ITER

Tampoco es una sorpresa que este hito científico provenga de EEUU: “El plan europeo para la fusión nuclear inercial desde la investigación pública no existe”, lamenta el físico. En cambio, los estadounidenses han entendido que el láser podría dar frutos antes. ¿En qué plazos? “Hay empresas que hablan de la década de 2040 o antes, no estamos hablando de cientos de plantas conectadas a la red, pero sí de una planta demostradora”, afirma. Es probable que tras este éxito se sume más capital privado y que la tecnología acelere más de lo previsto.

La gran pregunta es si el proyecto ITER se verá afectado. “No me cabe la menor duda de que ITER seguirá adelante y todos esperamos que también consiga lo que se espera”, señala Perlado. Ahora está en fase de construcción y el objetivo es que comience a operar dentro de pocos años, pero en un primer momento aún no lograría esa “ganancia neta” que ya ha logrado el experimento de California. “No creo que se vaya a abandonar, sería terrorífico tras la inversión hecha”, comenta el experto. Sin embargo, si la fusión del láser triunfa, el retraso va a ser evidente, porque la siguiente fase tras ITER es DEMO, un proyecto de demostración que no estaría listo antes de 2060.

Según algunos expertos, incluido el físico de la UPM, lo cierto es que EEUU ya tenía dudas con respecto al ITER, porque “no estaba poniendo toda la carne en el asador”, opina. A pesar de que la comunidad científica estadounidense también participa activamente en el proyecto, esta ambiciosa apuesta está liderada por Europa y por Japón, y tampoco faltan otros grandes actores mundiales, como Rusia o Corea del Sur.

¿Qué pasará con el acelerador de Granada?

Otro proyecto relacionado con el ITER es IFMIF-Dones, un acelerador de partículas que se está empezando a construir en Granada y que espera resolver un problema concreto de los futuros reactores de fusión nuclear. El proceso irradia muchos neutrones, así que antes de poner en marcha esta fuente de energía de forma comercial es necesario encontrar los materiales adecuados para que soporten ese daño a largo plazo. La buena noticia es que “los materiales estructurales van a recibir irradiaciones similares tanto si la tecnología empleada es de campos magnéticos como si es inercial”, comenta el presidente del Instituto de Física Nuclear Guillermo Velarde.

De hecho, este centro ha estudiado esta cuestión. La única diferencia es que en el caso de la fusión magnética la irradiación de los materiales es continua (es decir, los neutrones impactarían de forma ininterrumpida). Sin embargo, en el caso de la fusión inercial, el láser dispara de forma intermitente. En definitiva, a pesar de que el acelerador de partículas de Granada está pensado para las condiciones específicas de la fusión magnética, podría servir perfectamente para el desarrollo de plantas basadas en la fusión inercial vía láser.

Si al final esta opción impulsada por EEUU se impone, ¿en Europa tenemos la tecnología necesaria como para subirse al carro? Perlado es optimista a pesar de la escasa financiación pública, ya que hay un elemento clave en el que el Viejo Continente sí puede ser competitivo: la tecnología láser. Francia tiene el segundo láser más potente del mundo, en la escala del NIF, en Burdeos; el Reino Unido también tiene instalaciones importantes, como el Rutherford Appleton Laboratory (RAL), y la Unión Europea, en su conjunto, tiene un ambicioso plan denominado Extreme Light Infrastructure (ELI), cuyo objetivo es construir el láser más intenso jamás creado.

En cualquier caso, el camino parece un poco más despejado para lograr una energía… ¿Limpia y sin límites? “Si lo que utilizamos es el deuterio, uno de los isótopos del hidrógeno, es absolutamente inagotable”, apunta Perlado, “porque está en el agua del mar en concentraciones suficientes como para pensar que tenemos suficiente para millones de años”. Si la reacción que se utiliza es la del deuterio con el tritio, otro de los isótopos del hidrógeno, la clave está en “crear el tritio”, para lo que se utiliza litio y, en principio, tampoco supondría un gran problema porque también abunda en la naturaleza (especialmente, también en el agua del mar). Además, los expertos creen que pueden utilizarse otros elementos.