Fusió nuclear: més a prop però lluny

1999/03/01 Plazaola, Fernando Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia

Les fonts d'energia són, com tots sabem, fonamentals per al desenvolupament de la societat. En la dècada de 1970 la crisi del petroli va agreujar a la societat occidental i intensificava el desenvolupament de noves i velles fonts d'energia. I en l'actualitat, les fonts d'energia i els seus problemes són una de les principals preocupacions de la societat. A partir d'una classificació àmplia, podem dir que les fonts d'energia són de dos tipus:

• capaços de produir grans quantitats d'energia: les centrals nuclears de fissió i els combustibles fòssils. Molt desenvolupats tecnològicament, molt productius des del punt de vista econòmic, i que podem considerar com una font forta d'energia per als pròxims dos segles, però que poden o són perjudicials per al medi ambient (Txernobil, residus radioactius, pluja àcida, efecte d'hivernacle...)
• energies alternatives, que en principi semblen netes, que no ataquen al mitjà (encara que en els últims temps l'energia eòlica ha suscitat el debat), però que no són capaços de generar l'enorme quantitat d'energia que necessita l'estructura de la societat actual.

En aquest debat sobre les fonts d'energia s'esmenta en diverses ocasions que en el futur tindrem una font d'energia verge, basada en l'energia que emeten les estrelles, infinita i neta. Malgrat estar cada vegada més a prop, sempre està lluny. Sí, em refereixo a l'energia que es genera en la fusió nuclear. Des de 1952 sabem que en el planeta Terra també es pot produir aquesta energia. No obstant això, lamentablement, la demostració d'això va coincidir amb l'explosió de l'explosiu H, i aquesta brutal demostració ha portat amb si una preocupació perquè aquesta energia és neta, o més neta que altres energies del tipus (i), no és d'estranyar que quan escoltem ens dubti. En les següents línies tractaré d'analitzar què és la fusió nuclear i quines són les dificultats per a convertir-la en una font d'energia. I, sobretot, explicaré per què la fusió nuclear és neta respecte a la fissió nuclear.

Quan dos nuclis lleugers, com l'hidrogen o els seus isòtops —el deuteri i el triti— conflueixen, en aquesta reacció nuclear s'allibera energia. Si els nuclis són molt pesats, l'única manera d'alliberar energia és mitjançant la divisió dels nuclis (fissió nuclear). Per al segon procés, és a dir, per a la fissió, un sol neutró pot atacar i produir fissió en nuclis pesants com a urani o plutoni. Per a la fusió cal sumar dos nuclis que es repel·leixen entre si, és a dir, superar la repulsió electroestàtica d'aquests dos nuclis perquè siguin capaços d'unificar els nuclis. Com podem observar, el procés de fusió no és gens senzill.

A causa de l'enorme massa de les estrelles, la seva atracció gravitatòria els permet confinar tota la massa de l'estrella i, gràcies a ella, la unió internuclear emet gran quantitat d'energia cap a l'espai. En el planeta Terra és impossible que es produeixi aquest tipus de confinament gravitatori, per la qual cosa el confinament dels nuclis ha de realitzar-se d'una altra manera. En 1952, com s'ha esmentat anteriorment, es va aconseguir aquest confinament. En ell, van provocar l'esclat de l'explosiu nuclear de fissió per a confinar el combustible de fusió i les reaccions de fusió provocades per aquesta ona d'explosió van alliberar 50 vegades més energia que l'explosiu de fissió.

L'obtenció de reaccions de fusió, tant de manera controlada com incontrolada, no és immediata. El primer pas en la tecnologia per a les reaccions de fusió que s'està desenvolupant actualment és l'obtenció de la sopa d'electrons i ions del combustible de fusió, el plasma. El plasma és la quarta situació de la matèria que no està present en el nostre planeta. Encara que no es troba en la Terra, el 99% de la matèria de l'univers es troba en estat de plasma. Mitjançant l'escalfament d'un sòlid es convertirà en líquid i es volatilitzarà, fent-ho més calent, a gas. Si continuem escalfant, en aconseguir la temperatura de 11.000 (que indica que l'energia cinètica mitjana de les partícules internes del plasma és d'1 eV), els àtoms del gas comencen a perdre electrons, convertint-se en una sopa formada per electrons negatius i ions positius.

No obstant això, en aquesta situació encara no es produirà una reacció de fusió, ja que existeix una força de repulsió entre ions positius. Però si el plasma s'escalfa més, aquests ions o nuclis poden aconseguir una gran velocitat (energia cinètica), la qual cosa pot fer que la força repulsiva no sigui capaç d'impedir els xocs internucleares. Experimentalment està demostrat que això és possible, però per a això la temperatura del plasma ha de ser enorme, amb un mínim de 100 milions de graus (10 keV). A aquesta temperatura es poden començar a produir reaccions de fusió, però no és suficient que uns pocs es produeixin, ja que l'energia utilitzada per a aconseguir aquesta temperatura ha estat enorme. El més convenient és que el nombre de reaccions de fusió per unitat de temps sigui elevat. Per tant, perquè la probabilitat que es produeixi una reacció de fusió sigui elevada, la densitat del plasma també ha de ser elevada. No obstant això, la reacció de fusió de (1) que s'està experimentant per a futurs reactors, ja obtingudes en laboratoris de fusió, no és una condició suficient per a considerar la fusió com una nova font d'energia.

Com estem veient, l'energia absorbida per la fusió és molt gran i, per descomptat, l'energia obtinguda en fusió en una central de fusió ha de ser molt major que l'energia consumida. D'altra banda, sabem que qualsevol cos calent, submergit en un mitjà més fred, es refredarà ràpidament per difusió o dispersió atòmica. Aquest procés pot ser molt greu en el cas del plasma. Per tant, d'alguna manera és necessari confinar el plasma per a mantenir el plasma calent, és a dir, perquè no es produeixi aquesta dispersió atòmica. Pel fet que el plasma de fusió ha d'estar tan calenta (per sobre de 100 milions de graus), el confinament no és possible, igual que en les ampolles, mitjançant la utilització de parets. Aquestes ampolles no poden contenir parets físiques.

En el seu lloc s'utilitza el confinament magnètic, és a dir, el mur està format per les línies del camp magnètic. Les línies de camp han de confinar partícules carregades (electrons i ions) que es desplacen ràpidament dins del plasma en una regió tancada "dònut" fins a obtenir una energia de fusió profitosa. El problema del confinament no és gens senzill i la tecnologia que s'utilitza en l'actualitat és el concepte TOKAMAS, desenvolupat per científics russos. D'aquesta forma es defineix el temps de confinament, indicant el temps que el plasma calent roman calent sense alimentació energètica externa.

L'aprofitament de les reaccions de fusió està limitat per tres paràmetres: temperatura del plasma, densitat i temps de confinament. El producte d'aquestes tres substàncies es denomina paràmetre de fusió. El valor del paràmetre de fusió ve calculat des de fa temps perquè el reactor de fusió sigui utilitzat com a font d'energia. Lawson va calcular en 1957 que el valor del paràmetre de fusió ha de superar els 5x1021 m-3keVs (criteri de Lawson) perquè el rendiment del cicle energètic sigui del 35%. Quan s'aconsegueix mantenir el plasma sota el criteri de Lawson sense escalfar-lo externament, es pot dir que s'ha aconseguit el punt d'ignacio.

Els plasmes actuals estan lluny d'aquest punt i l'altre paràmetre molt important que s'utilitza és el del guany energètic, és a dir, la raó entre l'energia generada per la fusió i l'energia utilitzada per a arribar a la fusió, l'anomenat factor Q. Quan Q=1 l'energia generada en la fusió serà la mateixa que l'energia produïda per a arribar a ella i a aquest punt se'l denomina "break-even". Òbviament, perquè el reactor de fusió sigui competitiu en el mercat caldria aconseguir Q>>1. I un dels problemes per a aconseguir-ho és que per a produir, escalfar i confinar el plasma és necessari un gran ús d'energia.

Els experiments d'aquesta generació persegueixen una situació entorn del "break-even", de la qual podem dir que estan molt a prop, s'ha superat Q = 0.9. S'espera obtenir plasmes en condicions d'ignició en reactors de pròxima generació. Per a això, ja està en marxa el projecte ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), en el qual participen la Unió Europea, Rússia, el Japó i els Estats Units. Aquest mateix any, i en el termini establert, s'ha finalitzat el disseny del reactor intern i es decidirà immediatament la ubicació d'aquest reactor experimental, que és el cas d'Europa i el Japó. He escrit a dalt que els participants del projecte ITER eren quatre, però ara són tres, perquè fa dos mesos Estats Units ha abandonat el projecte. Pot haver-hi moltes raons, però segons els rumors dels científics que treballen allí, la raó radica en la falta de lideratge de la tecnologia de fusió als Estats Units i en la impossibilitat de situar al reactor.

Cal destacar que amb els reactors d'aquesta generació els paràmetres que es requeririen per a la ignició s'han obtingut de manera independent, però tots junts, alhora, de manera que no s'aconsegueixi la ignició. S'han aconseguit temperatures de 400 milions de graus, 1021 partícules/m³ i temps de confinament superiors a un segon. I l'any 1997 en el reactor JET de la Unió Europea, situat a Edimburg, es va aconseguir una potència de fusió de 16 MW, la major potència aconseguida fins avui. A més, cal esmentar que aquesta potència es va obtenir en un plasma deuteri + triti i no en el plasma de deuteri + deuteri dissenyat en JET. No obstant això, és cert que encara no s'ha obtingut plasma de fusió en condicions estables. I no sabem com actuarà aquest tipus de plasma (és la major preocupació des del punt de vista científic).

Al no conèixer-se això, els problemes d'enginyeria que generarà el plasma estable tampoc seran petits. Si el desenvolupament es manté com es preveu, en el reactor que es construirà en el projecte ITER s'obtindran plasmes de condicions ignicianas, és a dir, estables, i després de la seva recerca i domini, en la següent fase es construirà un reactor per a la prova DEMO, que s'adaptarà a les necessitats d'una veritable central elèctrica. El moment d'enganxar el reactor de fusió a la xarxa elèctrica, si les coses van segons el que es preveu, passarà dins de 40 anys. A pesar que aquest termini sembli molt llarg, en la dècada de 1980 és més curt del que es preveu. No obstant això, cal tenir en compte que el que es vol fer és "construir una estrella en el laboratori", i des d'aquesta perspectiva, són llargs els terminis esmentats?

Suposem que es pot i s'aconsegueix un reactor de fusió (el del confinament magnètic). Vegem quins són els avantatges i inconvenients de les fonts energètiques actuals. El principal inconvenient és el cost. La inversió inicial per als reactors de fusió serà enorme (la recerca també s'està duent a terme a nivell internacional), molt superior a la que qualsevol font energètica actual necessita. Això suposarà una barrera enorme per a les centrals actuals de combustibles fòssils i fissió nuclear. A més, se sap que les dues últimes fonts d'energia poden produir energia sense problemes (tecnològics) i a baix cost.

Quant als avantatges, la primera és la del combustible. El deuteri, molt estès en la mar i els rius, és barat i no té perill d'esgotar-se. El segon avantatge es refereix a la seguretat dels futurs reactors de fusió; la interrupció del combustible en les reaccions de fusió impedeix la reacció de fusió, a més de que en els reactors de fusió amb confinament magnètic es produeix regularment el combustible, per la qual cosa el reactor de fusió és impossible d'escapar de les mans, és a dir, al contrari del que ocorre en les centrals de fissió (cas de Txernobil), el "desenchoques" en els reactors de fusió. Per tant, el reactor de fusió no presenta risc d'explosió o fusió.

Igual que venen els defensors de la fusió, la neteja és un altre avantatge evident. Les centrals nuclears de fissió i les centrals de combustibles fòssils poden danyar el mitjà per a segles. Es recorden els fets ocorreguts en les centrals nuclears de la fissió de Chernobil i Harrisburg, els residus radioactius (un tema que avui dia està en ple apogeu, què fer amb ells? ), efecte d'hivernacle, pluja àcida... Els reactors de fusió, per part seva, consideren que no poden causar aquest tipus de danys. Analitzaré breument el que significa això en les següents línies, comparant-les amb les reaccions de fissió.

Les reaccions nuclears de fissió produeixen més de 200 radioisòtops. Molts tenen, a més, milers d'anys de vida. Per exemple, un isòtop del plutoni bastant conegut té una vida mitjana de 24.000 anys (i no és el més llarg). Donada l'elevada quantitat de radioisòtops generats en la reacció de fissió, el seu tractament i ús és molt difícil, pràcticament impossible. Per aquest motiu, el premi Nobel italià Carlo Rubbia acaba de proposar que el tori sigui fisionado amb un accelerador perquè el nombre de tipus de residus nuclears sigui molt menor i més fàcil de tractar. En el cas de la fusió nuclear, les úniques partícules que es generen segons l'equació (1) són les partícules alfa (àtoms d'heli) i els neutrons d'alta energia. L'heli, anomenada pols de fusió, és un dels àtoms estables més estesos de l'univers.

Les partícules alfa tenen gran importància en el manteniment del plasma calent i en estar ionitzades (com a partícules alfa) confinen camps magnètics. També es formen neutrons (1) en reacció, que a l'ésser de càrrega poden escapar de la regió de confinament xocant amb la rica capa que delimita el plasma. La rica capa delimita la regió de confinament i es construeix amb liti o compostos de liti. La rica capa té dues funcions: i) que els neutrons xoquin amb els àtoms de liti creant triti, combustible per al plasma, i ii) que absorbeixi la gran energia cinètica dels neutrons generats, per a convertir-los en energia elèctrica. Per tant, en el reactor de fusió la radioactivitat no es troba en la reacció de fusió (no hi ha residus), sinó en les trasmutaciones produïdes pel xoc de neutrons amb materials del mitjà.

Les conseqüències de les transmutacions són de dos tipus: 1) beneficiosos per al procés de reacció de fusió, generant combustible triti i 2) nocius des de tots els punts de vista. Aquest últim depèn dels materials utilitzats en l'estructura del confinament magnètic. Utilitzant materials apropiats de baixa activitat nuclear, l'activitat generada pels neutrons en aquests materials pot reduir-se fins a 10 milions de vegades a l'hora de parar el reactor sense generar residus de llarga vida. Aquests residus quedarien dins de la central sense possibilitat d'escapar a l'exterior.

No obstant això, cal no oblidar que a pesar que els materials seleccionats són els adequats, presenten impureses que poden donar lloc a residus de llarga vida. D'altra banda, el combustible triti és un isòtop radioactiu de 12,3 anys de vida mitjana, un simple emissor de partícules beta, l'energia mitjana de la qual d'emissió d'electrons és de 5,7 KeV. Com el triti és gas, en un greu accident pot escapar del confinament magnètic. Les previsions del grau de radioactivitat que podria sofrir la població a l'entorn de les centrals, fins i tot en l'accident més greu que pogués produir-se, i les fugides de triti d'un futur reactor de fusió, indiquen que, en el pitjor dels casos, el nivell de radioactivitat principal se situaria a 1 km de la central.

En associar els reactors de fusió a la xarxa elèctrica, si s'associen en algun moment, es pot dir que s'obtindrà una font inesgotable d'energia amb tot el que això suposa. Seran molt més netes que les centrals de combustibles fòssils i fissió nuclear. No seran capaços de causar danys de segles, però tampoc tindran puresa verge. No obstant això, a diferència del que ocorre amb altres centrals, en les quals els efectes adversos són intrínsecs al procés, en els reactors de fusió es pot millorar el grau de neteja.

Ruta estatunidenca

El programa de fusió descrit en l'article, corresponent al projecte ITER, no és l'únic per a aconseguir la fusió. Una altra via és la del confinament inercial, que s'està desenvolupant especialment als Estats Units i que té poc desenvolupament a Europa, ja que per al confinament inercial es necessiten làsers de potència, que en ser tecnologies secretes (darrere de les quals hi ha interès militar), no es publiquen, per la qual cosa la recerca que es duu a terme es manté en secret.

Als Estats Units, aquest tipus de recerca s'està duent a terme en el Laboratori Lawrence Livermoore, laboratori de diversos secrets militars, i se sap que 60 làsers d'alta potència treballen amb l'objectiu d'aconseguir la fusió i que per a l'any 2003 es construiran 200 làsers de potència.

En aquest cas, a diferència del confinament magnètic, els temps de confinament han de ser molt curts, entorn d'un nanosegon. Per tant, segons el criteri de Lawson, els plasmes han de ser molt densos per a poder beneficiar-se d'aquests reactors. El concepte físic de fusió també és fàcil d'entendre en aquest cas, ja que a una pilota d'uns mil·límetres de diàmetre que porta combustible en el seu interior els làsers de potència ataquen de la forma més homogènia possible reduint el radi de la pilota perquè es produeixi la fusió entre els nuclis. No obstant això, a diferència del confinament magnètic, en el cas del confinament inercial no es coneix fins a quin punt s'ha trencat la via de fusió, en quin valor es troba el paràmetre de fusió?, està "break-even" a prop o lluny? Els investigadors no responen a aquestes preguntes, ja que la recerca es realitza en secret.