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Fusión nuclear, la fuente de energía de las estrellas

Proyecto ITER, intento por replicar la producción de energía de las estrellas. Diseño: Bárbara Castrejón.

18-03-2014

Por Naix’ieli Castillo García, DGDC-UNAM




Una estrella puede arder o brillar durante miles de millones de años. Se calcula que el Sol, además de los 4 mil 600 millones de años que lleva de vida, tiene combustible para otros 5 mil quinientos millones de años más.

La energía que necesita se crea en su interior, donde la fuerza de gravedad produce temperaturas y presiones tales que los átomos de hidrógeno se fusionan para formar núcleos de helio liberando enormes cantidades de energía en el proceso.

Replicar en la Tierra, en la seguridad de un laboratorio, este método de obtención de energía es uno de los sueños más acariciados por la ciencia y la tecnología. La cantidad que podría producirse sería virtualmente ilimitada además de limpia y sustentable.

Los beneficios potenciales son tan amplios que en la actualidad hay en desarrollo ambiciosos esfuerzos multinacionales como el Proyecto ITER, cuya inversión oscila entre 5 mil y 13 mil millones de euros. Su objetivo es construir el mayor reactor experimental de fusión nuclear en la historia de la humanidad.

El problema es que ni la ciencia, en este caso la física de plasmas, ni la tecnología, se encuentran lo suficientemente avanzados para construir una planta de fusión nuclear que permita explotar comercialmente la energía de fusión nuclear.

¿Mito o realidad?

Durante una conferencia dictada en el Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM, con la finalidad de explicar a la sociedad si el fenómeno de la fusión nuclear para la producción de energía es un mito o una realidad, Julio Emilio Herrera Velázquez, investigador de ese instituto, comentó que durante los últimos 60 años científicos de todo el mundo han trabajado con miras a encontrar un proceso eficiente que permita la fusión nuclear a gran escala.

El especialista explicó que en la fisión nuclear se produce energía al romper núcleos de átomos pesados; también en el proceso inverso, llamado fusión, los núcleos de átomos ligeros se unen para formar otros más pesados produciendo o liberando energía.

El elemento clave para la fusión nuclear, al igual que en el Sol, es el hidrógeno, específicamente dos de sus isótopos, uno llamado deuterio que está formado por un neutrón y un protón, y otro llamado tritio, compuesto por un protón y dos neutrones. El deuterio se encuentra en abundancia en el agua de mar, pero el tritio es un elemento radiactivo que tiene que obtenerse artificialmente.

Las reacciones termonucleares deben ocurrir en un plasma, un estado de la materia en el que parte de las partículas de un gas están cargadas eléctricamente y chocan entre sí emitiendo radiación.

Temperaturas más altas que el Sol en laboratorio

El problema es que para lograr que dos átomos como el deuterio y el tritio se fusionen, es necesario que los núcleos superen lo que se llama repulsión electrostática. En las estrellas, las temperaturas y densidades tan altas ocurren naturalmente por la fuerza de gravedad y vencen la repulsión electrostática en tiempos muy largos.

En cambio, en el laboratorio, alcanzar reacciones más eficientes que las que ocurren en la naturaleza no es sencillo. El primer problema es elevar la temperatura del combustible y la densidad del sistema a factores altísimos, mayores que los del Sol, para vencer la repulsión electrostática y generar energía. También se debe controlar el plasma durante un tiempo suficientemente largo para que se compensen las pérdidas de energía por radiación.

Aun superando estos problemas, quedarían por  resolver incontables cuestiones de ingeniería que permitieran construir plantas que fueran competitivas con otras plantas, por ejemplo, las de fisión nuclear.

Alcance a futuro

A la pregunta de cuándo sería razonable pensar que la humanidad podría contar con su primera planta de energía nuclear por fusión, Julio Herrera Velázquez dijo que al principio se creía que se contaba con toda la ciencia necesaria y solamente faltaba desarrollar la tecnología que hiciera posible la planta nuclear, pero hoy se sabe que falta desarrollar mucha física primero.

En los sesenta, algunos físicos estimaban que se necesitarían 20 años para que se contara con un reactor de fusión nuclear, pero las décadas han pasado y todavía no es posible construirlo.

Los científicos se dieron cuenta que no era suficiente lograr reacciones de fusión nuclear sino obtener más energía de la que se tiene que invertir para calentar el plasma y mantenerlo estable. Cuando concluyó, en 2007, la construcción de un importante instrumento de fusión nuclear llamado KSTAR, los gobiernos de Estados Unidos y Corea del Sur expresaron que en 30 años sería posible la explotación comercial de energía. Aún esta por verse si estas predicciones son acertadas.

En opinión del doctor Herrera Velázquez, ni siquiera es posible dar una fecha estimada de cuando sería posible; podrían pasar más de 50 años. Por ejemplo, a la fecha se desconoce cómo se comportan los plasmas en combustión y falta diseñar mejores conceptos de reactores. También existe un problema de financiamiento, con todo y las cifras estratosféricas invertidas en ITER que iniciará operaciones en 2020, según las estimaciones.

Mientras se alcanza el sueño de una planta de fusión nuclear, Julio Herrera comentó que sería factible hacer plantas hibridas de fusión y fisión nuclear donde los neutrones producidos en un reactor de fusión se usen para quemar los desechos radiactivos de una planta de fisión nuclear. Ya hay algunas empresas que tratan de explotar comercialmente esta idea.

La UNAM, a través del Instituto de Ciencias Nucleares, mantiene relaciones científicas con un proyecto llamado IGNITOR que busca demostrar experimentalmente la ignición de un plasma magnéticamente confinado para desarrollar la física del proceso el calentamiento y control de este. Desafortunadamente esta idea no ha prosperado tanto como el proyecto ITER para conseguir financiamiento.

El especialista concluyó que en el camino hacia la construcción de un reactor de energía nuclear por fusión, se recogerán incontables logros de ingeniería y física que beneficiarán a la humanidad en el área de robótica, superconductividad y electrónica, por mencionar solo algunos campos.

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