Imagina por un segundo una fuente de energía casi inagotable, y que necesite muy poco combustible para ser autosustentable; capaz de generar millones de veces más energía por unidad de masa que las fuentes tradicionales y renovables actuales. ¿Qué nombre tendría esta maravilla? A este nuevo vector se le llama energía “nuclear por fusión”.
Actualmente existen varios proyectos para instalar un reactor de fusión comercial como fuente de energía limpia; sin embargo, el horizonte se ve en el largo plazo (2040-2060), y rodeado de muchos obstáculos, retos y desafíos.
En este momento, las fuentes de energía “renovables” y alternativas son las únicas que garantizan una producción de energía sostenible, y sin ningún tipo de efecto invernadero tan dañino para el planeta.
No obstante, a pesar de los esfuerzos y los avances que se han hecho en este ámbito (energías renovables), ellas continúan siendo una fuente de energía que solo puede ser complementaria, ya que hasta ahora no pueden producir las grandes cantidades de energía o mejor dicho no pueden cubrir la demanda mundial de los próximos 30-50 años.
En este sentido, la búsqueda de una generación de energía casi inagotable, como la “fusión nuclear” sigue estando más vigente que nunca. A pesar de la dificultad que puede suponer este tipo de tecnología, la fusión nuclear sigue siendo la mejor apuesta mundial para generar energía, y además sin generar gases de efecto invernadero. Explicaremos a fondo las razones.
CONTEXTO GENERAL
La energía nuclear por fusión, como las renovables, es capaz de producir energía sin emisiones de CO2 al ambiente, reduciendo el efecto invernadero y el calentamiento global. La generación de energía nuclear no está sujeta al comportamiento de otras fuentes renovables y llamadas alternativas, como son: él sol, el viento, hidráulica, mareas, biomasa, entre otras.
Sin embargo, en la actualidad muchos de los reactores nucleares del planeta están en fase de desincorporación (El primer reactor nuclear del mundo fue en 1942), y existen muy pocos países en el mundo que siguen construyendo centrales nucleares, los más activos son: China y Rusia. El resto del mundo ha decidido implantar otras energías renovables y/o alternativas (solar, eólica, otras). Incluso Francia, el más “nuclear” de todos los países, tiene planeado reducir considerablemente esta capacidad.
¿Es conveniente seguir usando energía nuclear, al menos para complementar a la energía fotovoltaica o a la eólica en zonas muy pobladas con grandes consumos de energía? La respuesta es no.
En esencia, cabe distinguir dos tipos de reacciones nucleares: “Fisión y Fusión”. Estas se parecen, porque ambas generan energía, pero sus diferencias son marcadas. La energía nuclear por fisión es el esquema que se ha utilizado en los reactores nucleares construidos hasta ahora. Y tiene características muy diferentes a la fusión, cuyas diferencias y detalles explicaremos más adelante.
En la siguiente figura, se muestra la evolución histórica de los reactores nucleares existentes (utilizan fisión), destacando que en la actualidad están los de generación IV.
ENERGÍA RENOVABLE VS. ALTERNATIVA
Me atreveré a hacer una pequeña aclaratoria sobre los términos de energía que usamos en la actualidad. La energía renovable se define como aquella energía cuyas fuentes se presentan en la naturaleza de modo continuo y prácticamente inagotable: por ejemplo, la solar, hidráulica, o la eólica.
Energía alternativa se define como aquella “capaz de alternar algo con función igual o semejante.”, y resulta totalmente evidente que ninguna de las energías renovables que hoy conocemos, son capaces de alternar, con función igual, en el actual modelo energético global. Bajo esta definición, la que sí sería una energía alternativa es la energía nuclear de fusión. En efecto, la fusión es una importante fuente de energía alternativa a largo plazo, que puede solucionar gran parte de nuestros problemas energéticos.
¿QUÉ ES LA FUSIÓN NUCLEAR?
La fusión nuclear es un proceso mediante el cual se genera la energía del sol y de las estrellas así cueste creerlo o entenderlo, he allí su belleza, y lo imponente de lograr implantarlo en el largo plazo.
Desde hace mucho tiempo, los científicos han querido entender el verdadero origen de la cantidad de energía irradiada por el Sol, y hasta ahora ha sido sólo eso, el sueño de “aprender a controlar esta fuente de energía”.
La energía nuclear de fusión se encuentra de manera natural en las estrellas como motor primario del funcionamiento del universo (reacciones termonucleares).
La fusión es la fuente de energía de las estrellas y el hidrógeno, el elemento más abundante del universo, uno de sus principales componentes.
La fusión que ocurre en las estrellas, consiste en la unión de dos átomos de hidrógeno (H), para generar un único núcleo más pesado, de helio (He). La energía resultante es emitida en forma de radiación al exterior de la estrella, y es lo que desde la Tierra percibimos como luz y calor.
FUSIÓN NUCLEAR VS. FISIÓN NUCLEAR
Si la fusión nuclear consiste en unir núcleos, la fisión nuclear es una reacción en la cual un núcleo pesado, al ser bombardeado con neutrones, se convierte en inestable y se descompone en dos núcleos. En este proceso también se desprende mucha energía y lo utilizan las centrales nucleares actuales.
Por lo tanto, Sí, estamos describiendo la fisión nuclear como una fuente natural e inagotable de energía ¿podríamos caracterizarla como limpia? Debido a la generación de residuos radioactivos perjudiciales para el ambiente con periodos de cientos de años para desaparecer, no es limpia.
Luego del documental de la BBC sobre el accidente nuclear de Chernóbil en 1986, Las catástrofes nucleares como Fukushima y Chernóbil volvieron a estar presentes en nuestros recuerdos. Es evidente que Los protocolos de seguridad para estas reacciones en cadena deben ser estrictos y de alta confiabilidad para que estas reacciones no se descontrolen o provoque explosiones catastróficas como las reseñada en el documental, algo tan traumático cuyas consecuencias medioambientales se mantienen a lo largo de los años.
A continuación, cuadro comparativo entre ambas energías:
¿CÓMO SE LOGRA LA FUSIÓN NUCLEAR?
Existen dos alternativas:
- Fusión por confinamiento inercial. En este caso se comprimen esferas de combustibles mediante haces de luz láser o de partículas, consiguiendo densidades muy elevadas. Así los núcleos están muy cercanos entre ellos se fusionan generando energía. Se obtiene un gas ionizado (plasma) con densidades muy elevadas, de manera que los núcleos están muy cercanos entre ellos, y por efecto túnel, se fusionan liberando energía. En este caso el plasma se obtiene y se confina por medio de una intensa compresión.
- Fusión con confinamiento magnético. Consiste en calentar ambos núcleos a temperaturas extremadamente altas (150 millones de grados centígrados, tres veces la temperatura del centro del sol) y conseguir por agitación térmica que los núcleos se fusionen liberando energía. A estas temperaturas tan altas cualquier material se derretiría, por lo que para contener la fusión se crea un toroide magnético (con forma de ‘donut’). En la siguiente figura se muestra como se hace la unión de forma muy genérica pero visual.
¿ES LA FUSIÓN NUCLEAR UNA ENERGÍA LIMPIA?
Nuestra vida dependerá en los próximos años de un suministro de energía abundante y autosustentable, y nuestro modelo energético actual proviene principalmente de combustibles fósiles, hidráulica, y fisión nuclear, además de los pequeños, pero en constante crecimiento de energías renovables.
La fusión nuclear emite un neutrón rápido que se usa para la generación de calor, mucho más seguro y sin radioactividad. En este sentido no produce contaminantes como su predecesor o fisión nuclear. Si algo sucediese con la pared del reactor, lo que ocurre inmediatamente es que se pierde la condición de vacío, el aire entra y destruye al plasma muy rápido (en microsegundos). Se estima que en los próximos 40-50 años se duplicará la demanda global de energía debido principalmente a un aumento de la población, y por ende un mayor consumo per cápita.
ENTONCES, ¿LA FUSIÓN NUCLEAR ES LA ALTERNATIVA?
La fusión nuclear podría ser una opción de energía a largo plazo, por sus ventajas desde las perspectivas de seguridad, disponibilidad de materia prima, funcionamiento, impacto ambiental y menor dificultades:
- Seguridad: A pesar de que la fisión y la fusión tienen el mismo “apellido: nuclear”, tienen muy poco en común más allá del hecho de que estamos manipulando la energía de los átomos. En la fusión, a diferencia de la fisión, no se producen residuos radiactivos. El resultado, como hemos visto, es un núcleo de helio, que es un elemento estable, y, por tanto, no es radiactivo. Las centrales eléctricas de fusión tendrán aspectos de seguridad inherentes: son imposibles los accidentes por una reacción fuera de control “runaway” ó “meltdown” como puede ocurrir en la actualidad.
- Disponibilidad de recursos: Los recursos combustibles básicos requeridos para la fusión, son “el deuterio y litio”, y son bastante abundantes en nuestro planeta. Los residuos resultantes del proceso de Fusión son de helio. Como en el caso de los combustibles básicos, y no son radiactivos. El combustible intermedio (tritio) se produce del litio en el manto del reactor.
COMBUSTIBLES DE FUSIÓN NUCLEAR
- Deuterio: Para obtener tanto deuterio como tritio necesitamos agua. Como recoge la enciclopedia virtual energía-nuclear.net, en el agua de mar, hay una concentración de 34 gramos de deuterio por metro cúbico de agua. Esto quiere decir que la energía que se puede obtener del deuterio de un litro de agua de mar es equivalente a la energía que se puede obtener de 250 litros de petróleo. Teniendo en cuenta que el planeta Tierra está cubierto de agua líquida en tres cuartas partes de su superficie, desde este punto de vista, la fusión puede considerarse una fuente energética, a priori, inagotable.
- Tritio y litio: Por su parte, aunque el tritio es menos abundante en la naturaleza, éste se puede obtener a partir de litio, que se encuentra tanto en el agua de mar como en la corteza terrestre. El litio es un mineral que también se usa para la fabricación de baterías destinadas al almacenamiento de energía. Se considera que la cantidad de litio requerida para este fin es de “unos pocos gramos”, lo que no pondría en compromiso a las reservas planetarias de litio, al que muchos llaman ‘el nuevo oro’ por los vehículos impulsados por baterías de ion-litio.
Funcionamiento:
La reacción más fácil de conseguir es la que fusiona un núcleo de deuterio y tritio. El resultado de la fusión de estos elementos genera 17,6 MeV de energía, helio (un gas totalmente inocuo) y un neutrón sobrante. Para hacer fusión nuclear, se necesitan más o menos 100 millones de grados centígrados, lo que equivale a veinte veces la temperatura del centro solar. (Lucera, “Fusión Nuclear, La energía de las estrellas” ,sf).
En una estrella como el Sol, este proceso de fusión ocurre de manera natural porque es tan grande que la gravedad hace que las moléculas o los núcleos estén más juntos. En nuestro caso, dónde tenemos mucho menos gravedad, debemos diseñar un ambiente o sistema para obtener “la fusión nuclear”.
Para lograrlo se utiliza el método de confinamiento inercial descrito en los párrafos anteriores, Este ambiente o sistema, requiere un plasma muy denso y muy caliente, con temperaturas entre los 100 – 300 millones de grados.
- Impacto Ambiental: La energía de fusión ofrece una fuente de energía a gran escala, sostenible, independiente de las condiciones climáticas y disponible para el suministro de electricidad 24 horas al día. El transporte de los materiales radiactivos no es necesario para el funcionamiento diario de una central eléctrica de fusión. Los residuos de la energía de fusión no serán una carga para las futuras generaciones. Al generar la energía de fusión no se emitirán gases de efecto invernadero.
- Barreras y dificultades: La principal barrera o dificultad que nos retrasa con la implementación de esta fuente limpia y alternativa de energía es que todavía estamos muy lejos de conseguir que funcione de manera eficaz.
Aunque estamos en el buen camino, aún quedan décadas hasta que se cree la primera central de fusión nuclear. Adicionalmente, se debe tener en cuenta que el combustible para generar energía es abundante en el entorno, tendríamos suficiente para unos cientos de años. Pero también debemos pensar en la forma de regenerar estos recursos en el entorno, no agotarlos por completo, algo que podría ser perjudicial.
¿Cuánto Camino falta por recorrer?
Sería fantasioso afirmar que se ha desarrollado la tecnología para disfrutar del “santo grial”, pero podemos decir que está en investigación, desarrollo y pruebas piloto básicas.
Desde 1986, se formó un consorcio internacional llamado “ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)” en Cadarache (Francia).
La instalación de este proyecto se encuentra en “Cadarache, al sur de Francia”, y cuenta con la colaboración de 35 países para construir el “Tokamak más grande del mundo”, un dispositivo de fusión magnética diseñado para demostrar la viabilidad de la fusión como fuente de energía a gran escala y libre de emisiones de carbono, basándose en el mismo principio por el cual el sol y las estrellas generan su energía.
Este proyecto experimental es de crucial importancia para el avance de la fusión nuclear y para preparar el camino para las centrales comerciales de fusión. Está siendo construido en Saint-Paul-lez-Durance, en el sur de Francia, en un proyecto que cuenta con la colaboración de China, la Unión Europea, India, Japón, Corea del Sur, Rusia y Estados Unidos.
Otro hito en la fusión nuclear fue el conseguido en el año 2013, cuando científicos de estados unidos, Universidad de California, consiguieron el primer rendimiento o eficiencia energética positiva por fusión. Este es el proyecto de fusión nuclear más grande del mundo y ha entrado en una fase crucial para la cual cuenta con una inversión de US$23.500 millones.
PERSPECTIVAS DE FUTURO
La perspectiva de una fuente inagotable y renovable de energía es una promesa esperanzadora, teniendo en cuenta las pesimistas proyecciones que realizan los expertos sobre el sostenimiento de nuestro actual modelo energético.
La IPCC (Grupo Inter-gubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático), máxima autoridad científica mundial en cuestiones relativas al cambio climático, lleva años alertando de consecuencias nefastas para el planeta y sus habitantes del aumento de la temperatura global.
Los combustibles fósiles son una fuente energética insostenible, lo que hace necesario que sean progresivamente sustituidas por las energías renovables, y las alternativas como es el caso de la fusión nuclear. Los proyectos “ITER, IFMIF DONES y DEMO” son cruciales para poner a punto las tecnologías que harán viables los reactores de fusión nuclear comerciales.
Si nos fijamos en las fechas que barajan los itinerarios de “ITER, IFMIF DONES y DEMO (2040-2050)” llegaremos a la conclusión de que a la fusión nuclear comercial aún le quedan, al menos, tres a cuatro décadas.
Si la inversión se mantiene y los científicos disponen de los recursos que necesitan, la fusión nuclear estará disponible comercialmente a mediados de este siglo. Pero para alcanzar este hito es imprescindible que los equipos técnicos involucrados en los proyectos que he mencionado a lo largo de este artículo, incluidos los equipos españoles, dispongan de los recursos que necesitan.
Conclusiones. Los avances tecnológicos recientes han provocado el auge de alternativas como las denominadas energías renovables a veces mal llamadas alternativas, que engloban “la energía solar, la eólica, hidráulica, entre otras. Pero de momento no han tenido el avance esperado, ya que se estima que la dependencia de combustibles fósiles se extienda hasta el 2060.
La relación entre la oferta y la demanda de energía mundial, aunado a la dependencia alargada de los combustibles fósiles, debido al bajo porcentaje de las energías renovables exigen de nuevos esquemas de generación de energía limpia y abundante.
Allí es donde entra la “Fusión Nuclear”. En la actualidad, se disponen de pequeños reactores en centros de investigación, que han demostrado su fiabilidad. Desde 2006 en la Unión Europea y otros seis países (China, Corea, Japón, India, Estados Unidos y Rusia).
Este proyecto fue denominado ITER (“camino”, en latín). El cuál pretende ser el piloto que abra el acceso a la energía de la fusión en el futuro. Solo tres naciones han invertido por esta tecnología por este tipo de centrales energéticas para su futuro: Francia, Reino Unido y China.
La fusión nuclear es una alternativa de energía limpia y autosustentable en el tiempo, sin huellas perjudiciales para él ambiente. Se considera una fuente inagotable de energía ya que el Deuterio y Litio existen en abundancia en la naturaleza y el Tritio es generado dentro del propio reactor a partir del Deuterio. Esta nueva alternativa de generación de energía, se afianza cómo el eslabón perdido energético del futuro, y que aliviará y sanará a nuestro planeta. Ya no se puede esperar más, y ojalá todos los países del mundo unan esfuerzos, porque La tierra no puede esperar.
Referencias
IPCC, ITER, IEA, IAEA, LA AGENCIA DE ENERGÍA NUCLEAR (NEA), RED EUROPEA DE EDUCACIÓN NUCLEAR (ENEN), INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, KIKUCHI, M., LACKNER, K., TRAN, M.Q. (EDS), FUSION PHYSICS, IAEA, VIENNA, EURATOM/CCFE FUSION ASSOCIATION, FUSION REACTORS: THE ULTIMATE NUCLEAR POWER PLAN, RON PARKER MIT, UNIV. WASHINGTON,AGENCIA FRANCESSA FUSIÓM NUCLEAR. LUCERA, Eficiencia Energética “Fusión nuclear, la energía de las estrellas” s.f) recuperado de https://lucera.es/blog/category/eficiencia-energetica
Autor
Manuel José Santos Herrera. Ingenierio en Electricidad, Ms. Sistemas de Información, Diplomado Inteligencia dfe Negocios, Short MBA Energías Alternativas, Gerencia de Proyectos..
Correo electrónico: manuelsantos2012@icloud.com
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