Paso histórico para lograr una energía limpia e inagotable con la fusión nuclear

Imagen del interior de la cámara de objetivos del NIF, donde los investigadores han calentado los átomos impactando el haz de uno de los mayores láseres del mundo sobre las partículas de los isótopos de hidrógeno/Lawrence Livermore National LaboratoryImagen del interior de la cámara de objetivos del NIF, donde los investigadores han calentado los átomos impactando el haz de uno de los mayores láseres del mundo sobre las partículas de los isótopos de hidrógeno/Lawrence Livermore National Laboratory

Estados Unidos confirma que ha generado la primera ganancia neta de energía en la fusión de núcleos de hidrógeno

Miércoles, 14. 12. 22

A. CASAÑ

La Secretaria de Energía de EEUU, Jennifer Granholm, ha confirmado este martes “un gran avance científico”: un equipo del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en California ha logrado por primera vez conseguir la llamada ‘ignición’: fusionar núcleos de átomos produciendo más energía de la que cuesta inducir esa reacción.

Se ha conseguido “simular brevemente una estrella”, ha resumido la subsecretaria de Seguridad Nuclear de EEUU, Jill Hruby. Este avance “entrará en los libros de historia”, ha resumido Granholm. Ahora, por primera vez –desde que en los años 50 del siglo XX se comenzó a perseguir este objetivo– se ha logrado una ganancia neta de energía. El avance, no obstante, todavía no ha sido publicado en ninguna revista científica por lo que no existe una validación independiente del mismo.

La llamada ‘bahía de objetivos’ del NIF, donde 192 rayos láser convergen en el centro de esta esfera gigante para hacer implosionar la diminuta cápsula de combustible con isótopos de hidrógeno./Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)

La llamada ‘bahía de objetivos’ del NIF, donde 192 rayos láser convergen en el centro de esta esfera gigante para hacer implosionar la diminuta cápsula de combustible con isótopos de hidrógeno./Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)

En agosto de 2021, gracias al más potente láser jamás concebido instalado en el Centro Nacional de Ignición (NIF, por sus siglas en inglés) ya consiguieron ‘rozar’ el sueño de controlar la fusión, la recreación de la energía de las estrellas que se promete como una fuente limpia, sostenible y casi inagotable. Un año y medio después, la esperanza (y la enorme inversión de la Adminstración Biden) se ha tornado en realidad: finalmente, han conseguido generar más energía con la reacción de la que se necesita para activarla. Un hito histórico aplaudido por toda la comunidad científica.

En concreto, se requirieron 2,05 megajulios para ‘encender’ el reactor, pero se generaron 3,15 megajulios, lo que daría una ganancia positiva de más de 1 megajulio. La clave, precisamente, ha sido el potente láser del NIF, que en realidad son 192 haces apuntando con un margen de error de apenas el grosor de un cabello humano a una minúscula cápsula de oro, repleta de deuterio y tritio. Gracias a la enorme presión que se ejerce sobre esta ‘bola’, se generó la reacción, que solo duró un pestañeo, aunque el tiempo suficiente como para demostrar que el sistema funciona y que la energía extrema que ‘enciende’ a las estrellas puede ser replicada aquí, en la Tierra.

El experimento tuvo lugar el pasado 5 de diciembre, por lo que los investigadores han recalcado que aún hay mucho análisis de datos por delante antes de que sea revisado por expertos independientes y publicado en una revista científica, lo que abrirá el camino a que otros grupos científicos ahonden en la investigación y que el sistema pueda seguir progresando.

En los años 60, científicos de Livermoore dirigidos por John Nuckolls plantearon la hipótesis de que los rayos láser podrían ser utilizados para conseguir una ignición por fusión: es decir, recrear las altas temperaturas y presiones que se dan en los núcleos de las estrellas. A partir de entonces comenzaron a crear un sistema láser que ocupa un edificio de diez pisos del tamaño de tres campos de fútbol americano y que se tardó 12 años en ser completado tal y como se encuentra en la actualidad.

“Esto ha llegado después de 60 años de experimentación”, ha dicho Jill Hruby para subrayar el largo camino científico seguido hasta este momento. “Se ha llegado por el trabajo acumulado que se ha hecho antes. Y el incansable esfuerzo de cientos de personas”.

Los investigadores del LLNL, indican en una nota de prensa, han empleado 2,05 megajulios (MJ) para desencadenar la fusión de núcleos y dicen haber obtenido 3,15 MJ. Es decir, una ganancia neta de 1,1 MJ. En los últimos días se hablaba de cifras más modestas, con una ganancia neta menor (en concreto de 0,4 MJ)

“La ignición es el primer paso”, han explicado los científicos del LLNL. A partir de aquí “hay que hacer muchas cosas para comercializar esta energía”, han añadido. Entre ellas, hay que conseguir muchas igniciones por minuto y el material “resistente” para poder hacerlo. “Tomará alguna década de inversiones, pero no creo que sean seis ni cinco”, han vaticinado.

La información sobre esos resultados llevaba días poblando los correos electrónicos de los investigadores especializados en física nuclear de medio mundo (el hito se habría alcanzado el día 5 de diciembre). Ahora, ha sido confirmada en una rueda de prensa que ha concitado una enorme expectación internacional.

El hito se ha realizado en una infraestructura del LLNL llamada ‘Instalación Nacional de Ignición’ (NIF, en sus siglas inglesas). Con un coste de 3.500 millones de dólares de fondos federales, en ese recinto –entre otras áreas– se prueba armamento nuclear.

Un ‘pequeño Sol’

La fusión nuclear es el mismo proceso por el que el Sol y otras estrellas producen energía. Básicamente consiste en la fusión de los núcleos de átomos de elementos ligeros. En el caso del Sol –y del experimento del LLNL–, átomos de hidrógeno o de sus isótopos: deuterio y tritio.

La radiación solar que nos llega a la Tierra en forma de luz y calor proviene de ese proceso de fusión nuclear. En el caso del Sol, esa fusión de núcleos de átomos de hidrógeno los convierte en helio. La masa del helio es inferior a la de los átomos de hidrógeno por lo que, siguiendo la famosa ecuación de Einstein que muestra la equivalencia entre la masa y la energía (E=mc²), esa masa de hidrógeno que resulta de su fusión en helio se transforma en energía.

Hasta ahora, y desde hace décadas, inducir la fusión nuclear en la Tierra requería unas condiciones físicas que consumían más energía que la que esa reacción producía. Los especialistas consultados por los medios en los últimos días coinciden en valorar el hito, pero advierten de que todavía queda mucho recorrido hasta que la energía de fusión nuclear pueda usarse de manera controlada y suministrar electricidad a la red.

A diferencia de los combustibles fósiles, la fusión nuclear no genera gases de efecto invernadero; tampoco produce residuos radiactivos. Hasta la fecha, y frente a la fusión de núcleos, la única energía nuclear viable se basa en el proceso opuesto: la fisión de núcleos (la palabra fisión es de la misma familia que fisura).

La energía de fisión se logra dividiendo el núcleo de átomos de elementos pesados, como el uranio y el plutonio. Es una fuente de energía sucia –porque genera residuos radiactivos dañinos para la vida– y peligrosa –porque se produce en plantas atómicas sujetas a accidentes, como los de Chernóbil o Fukushima–, aunque no emita gases de efecto invernadero (como el CO2) en su obtención.

Fusión mediante láser

Para conseguir que los núcleos de hidrógeno se fundan es necesaria una elevada cantidad de energía que los aproxime tanto que los convierta en plasma (una especie de gas cargado eléctricamente). En el caso del logro confirmado hoy, los investigadores han calentado los átomos impactando el haz de uno de los mayores láseres del mundo sobre las partículas de los isótopos de hidrógeno: esto provoca su implosión en forma de plasma, haciéndolas más densas, con lo que se provoca la fusión. De ahí que este proceso, en el que las altas temperaturas juegan un papel esencial, se denomine también fusión termonuclear.

Además del método empleado en Estados Unidos, un megaproyecto internacional –formado por 35 países– trabaja en una alternativa termonuclear al láser, la llamada fusión por confinamiento magnético.  En este método, es un campo magnético el que atrapa las partículas eléctricamente cargadas del plasma.

El dispositivo que genera ese campo magnético tiene forma toroidal. Se llama Tokamak y fue concebido en los años 50 por ingenieros soviéticos. Eso es precisamente el ITER, el reactor experimental internacional cuya construcción arrancó en 2013 Cadarache (Francia) y cuya culminación se espera para 2025. En este proyecto colaboran China, la Unión Europea, Estados Unidos, Rusia, India, Japón y Corea del Sur, entre otros países. El presupuesto comprometido supera los 22.000 millones de euros, fundamentalmente de dinero público.

Jose Manuel Perlado, físico

«Se trata de un hito. Todos los científicos que nos dedicamos a la fusión hemos soñado con esto desde los años 60: lograr más energía que la invertida para conseguirla. Los del NIF han obtenido hasta 2,5 megajulios de 2 megajulios, lo que significa una ganancia por encima del uno. Se cree que quizás han llegado hasta los 3 megajulios. Están eufóricos. El NIF ha hecho cientos de experimentos, pero se construyó para obtener este objetivo. Y lo han conseguido».

José Manuel Perlado es presidente del Instituto de Física Nuclear Guillermo Velarde (IFN-GV) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), donde se investiga desde hace 40 años de manera computacional la fusión por confinamiento inercial (iluminación con láser), la misma técnica que ha utilizado el National Ignition Facility (NIF) en su experimento excepcional que, si se cumplen todos los pronósticos, anunciará este martes que, por primera vez una «ganancia de energía neta» en su reactor de fusión experimental. Conoció los resultados el pasado miércoles, dos días después de que se llevara a cabo el experimento. «Me llevé una gran sorpresa. Es un anuncio explosivo», reconoce.

«Este es un disparo fundamental pero hay que repetirlo. Porque para que en un reactor de fusión nuclear por confinamiento inercial la energía extraída sea eficaz, este disparo se tiene que repetir entre una y cinco veces por segundo. El mecanismo para conseguirlo está entendido, lo que abre la posibilidad a que se vaya refinando y obtener más y más energía. Después habrá que configurar el reactor: qué materiales se van a emplear, el sistema de refrigeración, etc… para establecer cómo llegará esa energía a la red eléctrica».

«El programa europeo contempla un reactor comercial para el año 2060 o 2070. «La UE no ha puesto apenas financiación para fusión inercial -explica Perlado-, pero Japón sí y cree que la tendrá en los 50 o 60. EE.UU. aún no ha puesto fecha, veremos ahora, aunque recientemente ha anunciado el aumento de financiación. Y hay bastantes empresas privadas dispuestas a explotar estas ideas con inversiones de hasta cientos de millones de dólares para tenerlo hacia 2040″.

«Energía inagotable y limpia»

«Es inagotable, porque el combustible es el deuterio, que está en el agua del mar en grandes cantidades. Aunque si se utiliza además tritio, hay que fabricarlo con litio. Es segura, porque no hay reacción en cadena, las instalaciones se apagan o se encienden. Y es limpia: sus residuos duran de décadas a cien años, muy poco. Disminuirá la huella de carbono».

Con todo, no podemos vivir solo de la fusión nuclera: «No. Un reactor es una fuente centralizada de gran potencia, 1.500 megavatios, como una planta de fisión. Pero tendrá que convivir con otras energías, como las renovables, que serán fundamentales».

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