Fusión nuclear: máis cerca pero lonxe

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

• Energia

As fontes de enerxía son, como todos sabemos, fundamentais paira o desenvolvemento da sociedade. Na década de 1970 a crise do petróleo agravou á sociedade occidental e intensificaba o desenvolvemento de novas e vellas fontes de enerxía. E na actualidade, as fontes de enerxía e os seus problemas son una das principais preocupacións da sociedade. A partir de una clasificación ampla, podemos dicir que as fontes de enerxía son de dous tipos:

• capaces de producir grandes cantidades de enerxía: as centrais nucleares de fisión e os combustibles fósiles. Moi desenvolvidos tecnoloxicamente, moi produtivos desde o punto de vista económico, e que podemos considerar como una fonte forte de enerxía paira os próximos dous séculos, pero que poden ou son prexudiciais paira o medio ambiente (Txernobil, residuos radioactivos, choiva aceda, efecto invernadoiro...)
• enerxías alternativas, que en principio parecen limpas, que non atacan ao medio (aínda que nos últimos tempos a enerxía eólica ha suscitado o debate), pero que non son capaces de xerar a enorme cantidade de enerxía que necesita a estrutura da sociedade actual.

Neste debate sobre as fontes de enerxía menciónase en varias ocasións que no futuro teremos una fonte de enerxía virxe, baseada na enerxía que emiten as estrelas, infinita e limpa. A pesar de estar cada vez máis cerca, sempre está lonxe. Si, refírome á enerxía que se xera na fusión nuclear. Desde 1952 sabemos que no planeta Terra tamén se pode producir esta enerxía. Con todo, lamentablemente, a demostración diso coincidiu coa explosión do explosivo H, e esta brutal demostración trouxo consigo una preocupación por que esa enerxía é limpa, ou máis limpa que outras enerxías do tipo (i), non é de estrañar que cando escoitemos dubídenos. Nas seguintes liñas tratarei de analizar que é a fusión nuclear e cales son as dificultades paira convertela nunha fonte de enerxía. E, sobre todo, explicarei por que a fusión nuclear é limpa respecto da fisión nuclear.

Cando dous núcleos lixeiros, como o hidróxeno ou os seus isótopos —o deuterio e o tritio— conflúen, nesta reacción nuclear libérase enerxía. Se os núcleos son moi pesados, a única maneira de liberar enerxía é mediante a división dos núcleos (fisión nuclear). Paira o segundo proceso, é dicir, paira a fisión, un só neutrón pode atacar e producir fisión en núcleos pesados como uranio ou plutonio. Paira a fusión hai que sumar dous núcleos que se repelen entre si, é dicir, superar a repulsión electrostática deses dous núcleos para que sexan capaces de unificar os núcleos. Como podemos observar, o proceso de fusión non é nada sinxelo.

Debido á enorme masa das estrelas, a súa atracción gravitatoria permítelles confinar toda a masa da estrela e, grazas a ela, a unión internuclear emite gran cantidade de enerxía cara ao espazo. No planeta Terra é imposible que se produza este tipo de confinamento gravitatorio, polo que o confinamento dos núcleos debe realizarse doutra maneira. En 1952, como se mencionou anteriormente, conseguiuse ese confinamento. Nel, provocaron o estalido do explosivo nuclear de fisión paira confinar o combustible de fusión e as reaccións de fusión provocadas por esta onda de explosión liberaron 50 veces máis enerxía que o explosivo de fisión.

A obtención de reaccións de fusión, tanto de forma controlada como incontrolada, non é inmediata. O primeiro paso na tecnoloxía paira as reaccións de fusión que se está desenvolvendo actualmente é a obtención da sopa de electróns e iones do combustible de fusión, o plasma. O plasma é a cuarta situación da materia que non está presente no noso planeta. Aínda que non se atopa na Terra, o 99% da materia do universo atópase en estado de plasma. Mediante o quecemento dun sólido converterase en líquido e se volatilizará, facéndoo máis quente, a gas. Se seguimos quentando, ao alcanzar a temperatura de 11.000 (que indica que a enerxía cinética media das partículas internas do plasma é de 1 eV), os átomos do gas comezan a perder electróns, converténdose nunha sopa formada por electróns negativos e iones positivos.

Con todo, nesta situación aínda non se producirá una reacción de fusión, xa que existe una forza de repulsión entre iones positivos. Pero se o plasma quéntase máis, estes iones ou núcleos poden alcanzar una gran velocidade (enerxía cinética), o que pode facer que a forza repulsiva non sexa capaz de impedir os choques internucleares. Experimentalmente está demostrado que isto é posible, pero paira iso a temperatura do plasma debe ser enorme, cun mínimo de 100 millóns de graos (10 keV). A esta temperatura pódense empezar a producir reaccións de fusión, pero non é suficiente que uns poucos se produzan, xa que a enerxía utilizada paira alcanzar esa temperatura foi enorme. O máis conveniente é que o número de reaccións de fusión por unidade de tempo sexa elevado. Por tanto, para que a probabilidade de que se produza una reacción de fusión sexa elevada, a densidade do plasma tamén debe ser elevada. Con todo, a reacción de fusión de (1) que se está experimentando paira futuros reactores, xa obtidas en laboratorios de fusión, non é una condición suficiente paira considerar a fusión como una nova fonte de enerxía.

Como estamos a ver, a enerxía absorbida pola fusión é moi grande e, por suposto, a enerxía obtida en fusión nunha central de fusión debe ser moito maior que a enerxía consumida. Por outra banda, sabemos que calquera corpo quente, mergullado nun medio máis frío, arrefriarase rapidamente por difusión ou dispersión atómica. Este proceso pode ser moi grave no caso do plasma. Por tanto, dalgunha maneira é necesario confinar o plasma paira manter o plasma quente, é dicir, para que non se produza dita dispersión atómica. Debido a que o plasma de fusión debe estar tan quente (por encima de 100 millóns de graos), o confinamento non é posible, do mesmo xeito que nas botellas, mediante a utilización de paredes. Estas botellas non poden conter paredes físicas.

No seu lugar utilízase o confinamento magnético, é dicir, o muro está formado polas liñas do campo magnético. As liñas de campo deben confinar partículas cargadas (electróns e iones) que se desprazan rapidamente dentro do plasma nunha rexión pechada "donut" até obter una enerxía de fusión proveitosa. O problema do confinamento non é nada sinxelo e a tecnoloxía que se utiliza na actualidade é o concepto TOKAMAS, desenvolvido por científicos rusos. Desta forma defínese o tempo de confinamento, indicando o tempo que o plasma quente permanece quente sen alimentación enerxética externa.

O aproveitamento das reaccións de fusión está limitado por tres parámetros: temperatura do plasma, densidade e tempo de confinamento. O produto destas tres sustancias denomínase parámetro de fusión. O valor do parámetro de fusión vén calculado desde hai tempo para que o reactor de fusión sexa utilizado como fonte de enerxía. Lawson calculou en 1957 que o valor do parámetro de fusión debe superar os 5x1021 m-3keVs (criterio de Lawson) para que o rendemento do ciclo enerxético sexa do 35%. Cando se consegue manter o plasma baixo o criterio de Lawson sen quentalo externamente, pódese dicir que se conseguiu o punto de ignacio.

Plásmalos actuais están lonxe deste punto e o outro parámetro moi importante que se utiliza é o da ganancia enerxética, é dicir, a razón entre a enerxía xerada pola fusión e a enerxía utilizada paira chegar á fusión, o chamado factor Q. Cando Q=1 a enerxía xerada na fusión será a mesma que a enerxía producida paira chegar a ela e a este punto denomínaselle "break-even". Obviamente, para que o reactor de fusión sexa competitivo no mercado habería que conseguir Q>>1. E un dos problemas paira conseguilo é que paira producir, quentar e confinar o plasma é necesario un gran uso de enerxía.

Os experimentos desta xeración perseguen una situación en torno ao "break-even", da que podemos dicir que están moi preto, superouse Q = 0.9. Espérase obter plasmas en condicións de ignición en reactores de próxima xeración. Paira iso, xa está en marcha o proxecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), no que participan a Unión Europea, Rusia, Xapón e Estados Unidos. Leste mesmo ano, e no prazo establecido, finalizouse o deseño do reactor interno e decidirase de inmediato a localización deste reactor experimental, que é o caso de Europa e Xapón. Escribín arriba que os participantes do proxecto ITER eran catro, pero agora son tres, porque hai dous meses Estados Unidos abandonou o proxecto. Pode haber moitas razóns, pero segundo os rumores dos científicos que traballan alí, a razón radica na falta de liderado da tecnoloxía de fusión en Estados Unidos e na imposibilidade de situar ao reactor.

Hai que destacar que cos reactores desta xeración os parámetros que se requirirían paira a ignición obtivéronse de forma independente, pero todos xuntos, á vez, de forma que non se logre a ignición. Alcanzáronse temperaturas de 400 millóns de graos, 1021 partículas/m3 e tempos de confinamento superiores a un segundo. E o ano 1997 no reactor JET da Unión Europea, situado en Edimburgo, alcanzouse una potencia de fusión de 16 MW, a maior potencia alcanzada até a data. Ademais, hai que mencionar que esta potencia se obtivo nun plasma deuterio + tritio e non no plasma de deuterio + deuterio deseñado en JET. Con todo, é certo que aínda non se obtivo plasma de fusión en condicións estables. E non sabemos como vai actuar este tipo de plasma (é a maior preocupación desde o punto de vista científico).

Ao non coñecerse isto, os problemas de enxeñaría que xerará o plasma estable tampouco serán pequenos. Se o desenvolvemento mantense como se prevé, no reactor que se construirá no proxecto ITER obteranse plasmas de condicións ignicianas, é dicir, estables, e tras a súa investigación e dominio, na seguinte fase construirase un reactor paira próbaa DEMO, que se adaptará ás necesidades dunha verdadeira central eléctrica. O momento de enganchar o reactor de fusión á rede eléctrica, se as cousas van segundo o previsto, pasará dentro de 40 anos. A pesar de que este prazo pareza moi longo, na década de 1980 é máis curto do previsto. Con todo, hai que ter en conta que o que se quere facer é "construír una estrela no laboratorio", e desde esta perspectiva, son longos os prazos mencionados?

Supoñamos que se pode e conséguese un reactor de fusión (o do confinamento magnético). Vexamos cales son as vantaxes e inconvenientes das fontes enerxéticas actuais. O principal inconveniente é o custo. O investimento inicial paira os reactores de fusión será enorme (a investigación tamén se está levando a cabo a nivel internacional), moi superior á que calquera fonte enerxética actual necesita. Isto suporá una barreira enorme paira as centrais actuais de combustibles fósiles e fisión nuclear. Ademais, sábese que as dúas últimas fontes de enerxía poden producir enerxía sen problemas (tecnolóxicos) e a baixo custo.

En canto ás vantaxes, a primeira é a do combustible. O deuterio, moi estendido no mar e os ríos, é barato e non ten perigo de esgotarse. A segunda vantaxe refírese á seguridade dos futuros reactores de fusión; a interrupción do combustible nas reaccións de fusión impide a reacción de fusión, ademais de que nos reactores de fusión con confinamento magnético prodúcese regularmente o combustible, polo que o reactor de fusión é imposible de escapar das mans, é dicir, ao contrario do que ocorre nas centrais de fisión (caso de Txernobil), o "desenchoques" nos reactores de fusión. Por tanto, o reactor de fusión non presenta risco de explosión ou fusión.

Do mesmo xeito que venden os defensores da fusión, a limpeza é outra vantaxe evidente. As centrais nucleares de fisión e as centrais de combustibles fósiles poden danar o medio paira séculos. Lémbranse os feitos ocorridos nas centrais nucleares da fisión de Chernobil e Harrisburg, os residuos radioactivos (un tema que hoxe en día está en pleno apoxeo, que facer con eles? ), efecto invernadoiro, choiva aceda... Os reactores de fusión, pola súa banda, consideran que non poden causar este tipo de danos. Vou analizar brevemente o que significa isto nas seguintes liñas, comparándoas coas reaccións de fisión.

As reaccións nucleares de fisión producen máis de 200 radioisótopos. Moitos teñen, ademais, miles de anos de vida. Por exemplo, un isótopo do plutonio bastante coñecido ten una vida media de 24.000 anos (e non é o máis longo). Dada a elevada cantidade de radioisótopos xerados na reacción de fisión, o seu tratamento e uso é moi difícil, practicamente imposible. Por este motivo, o premio Nobel italiano Carlo Rubbia acaba de propor que o torio sexa fisionado cun acelerador para que o número de tipos de residuos nucleares sexa moito menor e máis fácil de tratar. No caso da fusión nuclear, as únicas partículas que se xeran segundo a ecuación (1) son as partículas alfa (átomos de helio) e os neutróns de alta enerxía. O helio, chamado po de fusión, é un dos átomos estables máis estendidos do universo.

As partículas alfa teñen gran importancia no mantemento do plasma quente e ao estar ionizadas (como partículas alfa) confinan campos magnéticos. Tamén se forman neutróns (1) en reacción, que ao ser de carga poden escapar da rexión de confinamento chocando coa rica capa que delimita o plasma. A rica capa delimita a rexión de confinamento e constrúese con litio ou compostos de litio. A rica capa ten dúas funcións: i) que os neutróns choquen cos átomos de litio creando tritio, combustible paira o plasma, e ii) que absorba a gran enerxía cinética dos neutróns xerados, paira convertelos en enerxía eléctrica. Por tanto, no reactor de fusión a radioactividade non se atopa na reacción de fusión (non hai residuos), senón nas trasmutaciones producidas polo choque de neutróns con materiais do medio.

As consecuencias das transmutaciones son de dous tipos: 1) beneficiosos paira o proceso de reacción de fusión, xerando combustible tritio e 2) nocivos desde todos os puntos de vista. Este último depende dos materiais utilizados na estrutura do confinamento magnético. Utilizando materiais apropiados de baixa actividade nuclear, a actividade xerada polos neutróns nestes materiais pode reducirse até 10 millóns de veces á hora de parar o reactor sen xerar residuos de longa vida. Estes residuos quedarían dentro da central sen posibilidade de escapar ao exterior.

Con todo, non hai que esquecer que a pesar de que os materiais seleccionados son os adecuados, presentan impurezas que poden dar lugar a residuos de longa vida. Por outra banda, o combustible tritio é un isótopo radioactivo de 12,3 anos de vida media, un simple emisor de partículas beta, cuxa enerxía media de emisión de electróns é de 5,7 KeV. Como o tritio é gas, nun grave accidente pode escapar do confinamento magnético. As previsións do grao de radioactividade que podería sufrir a poboación na contorna das centrais, mesmo no accidente máis grave que puidese producirse, e as fugas de tritio dun futuro reactor de fusión, indican que, no peor dos casos, o nivel de radioactividade principal situaríase a 1 km da central.

Ao asociar os reactores de fusión á rede eléctrica, se se asocian nalgún momento, pódese dicir que se obterá una fonte inesgotable de enerxía con todo o que iso supón. Serán moito máis limpas que as centrais de combustibles fósiles e fisión nuclear. Non serán capaces de causar danos de séculos, pero tampouco terán pureza virxe. Con todo, a diferenza do que ocorre con outras centrais, nas que os efectos adversos son intrínsecos ao proceso, nos reactores de fusión pódese mellorar o grao de limpeza.

Ruta estadounidense

O programa de fusión descrito no artigo, correspondente ao proxecto ITER, non é o único paira lograr a fusión. Outra vía é a do confinamento inercial, que se está desenvolvendo especialmente en Estados Unidos e que ten pouco desenvolvemento en Europa, xa que paira o confinamento inercial necesítanse láseres de potencia, que ao ser tecnoloxías secretas (detrás das cales hai interese militar), non se publican, polo que a investigación que leva a cabo mantense en segredo.

En Estados Unidos, este tipo de investigación está a levarse a cabo no Laboratorio Lawrence Livermoore, laboratorio de varios segredos militares, e sábese que 60 láseres de alta potencia traballan co obxectivo de conseguir a fusión e que paira o ano 2003 construiranse 200 láseres de potencia.

Neste caso, a diferenza do confinamento magnético, os tempos de confinamento deben ser moi curtos, ao redor dun nanosegundo. Por tanto, segundo o criterio de Lawson, plásmalos deben ser moi densos paira poder beneficiarse destes reactores. O concepto físico de fusión tamén é fácil de entender neste caso, xa que a unha pelota duns milímetros de diámetro que leva combustible no seu interior os láseres de potencia atacan da forma máis homoxénea posible reducindo o radio da pelota para que se produza a fusión entre os núcleos. Con todo, a diferenza do confinamento magnético, no caso do confinamento inercial non se coñece até que punto rompeuse a vía de fusión, en que valor atópase o parámetro de fusión?, está "break-even" cerca ou lonxe? Os investigadores non responden a estas preguntas, xa que a investigación realízase en segredo.