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Primera fusión nuclear controlada con ganancia positiva

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El logro del National Ignition Facility podría convertirse a largo plazo en una fuente de energía limpia casi ilimitada; sin embargo, sus aplicaciones prácticas están a décadas de distancia, consideraron expertos de la UNAM.

El pasado 5 de diciembre el equipo que trabaja en el Lawrence Livermore National Laboratory del National Ignition Facility (NIF) de Estados Unidos, consiguió por primera vez en la historia generar una fusión nuclear en un laboratorio con una ganancia de energía neta, un objetivo que la comunidad científica había buscado desde la primera mitad del siglo XX.

De acuerdo con el anuncio conjunto del Departamento de Energía y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear de los Estados Unidos se trata de “un importante avance científico que se está gestando desde hace décadas y que allanará el camino para los avances en la defensa nacional y el futuro de la energía limpia”.

La secretaria de Energía, Jennifer M. Granholm, añadió durante la presentación: “su trabajo nos ayudará a resolver los problemas más complejos y apremiantes de la humanidad, como proporcionar energía limpia para combatir el cambio climático, así como mantener una disuasión nuclear sin pruebas nucleares”.

El resultado obtenido por el NIF fue calificado por Jeremy P. Chittenden, profesor de física del plasma y codirector del Centro de Estudios de Fusión Inercial del Imperial College de Londres, en comentarios para la BBC: “un verdadero momento decisivo” que demuestra que “el ‘santo grial’ de la fusión puede lograrse”.

El experimento

Arturo Menchaca Rocha, investigador del Instituto de Física de la UNAM, explicó que el experimento realizado en el NIF consistió en una fusión de deuterio y tritio. “Lo que hicieron es tener una pelotita que tiene deuterio y tritio y le echaron un superflashazo de un láser, el cual calentó y comprimió a la esferita, entonces los núcleos alcanzaron esa distancia necesaria para pegarse. Así se produce la energía”.

“Al darle una cantidad de energía –2.05 megajulios (MJ)–, la cosa produjo 3.15 megajulios”, agregó el especialista universitario. Las instalaciones cuentan con 192 láseres, los cuales requieren de 322 megajulios de energía por cada disparo.

La construcción del NIF inició durante 1997 y fue completada hasta marzo de 2009, una de sus funciones principales es el estudio de las explosiones termonucleares; además tenía como objetivo conseguir una fusión nuclear con ganancia positiva para el segundo semestre del 2012, resultado que fue conseguido hasta el pasado 5 de diciembre.

Así lo recordó Julio Herrera Velázquez, investigador del Instituto de Ciencias Nucleares (ICN) de la UNAM: “Es un experimento que costó del orden de tres mil y medio millones de dólares, para el 2012 esperaba tener los resultados que se acaban de obtener. No siempre las cosas funcionan como se desea, pero mediante un trabajo muy sistemático de estudios –de cómo debe ser la cavidad, la cápsula, la forma del pulso de los rayos láser– finalmente se consiguió que la energía que sale de las reacciones de fusión es comparable con la energía de los láseres”.

Para Julio Martinell Benito, también investigador del ICN, el anuncio está ligado “a que la investigación en fusión ha estado, un poco, perdiendo apoyo en los últimos años, porque no estaba dando los resultados esperados que se tenían inicialmente. El financiamiento a la fusión ha estado disminuyendo; el hecho de que estén resaltando tanto esto –que se ha generado más energía, aunque no es todavía la que se necesita–, es para dar impulso otra vez a la investigación, al financiamiento que se le está dando a la fusión”.

“Es importante porque es la primera vez que se reporta esto; claro que todavía falta mucho para poder decir que se tendrá un reactor de fusión nuclear porque hay más problemas que aún tienen que ser resueltos, sobre todo en la cantidad de energía que se está depositando. Con esto se tiene la esperanza de que en algún futuro no muy lejano sí se pudiera tener energía por fusión… si se invierte el dinero suficiente. Un poco esta es la motivación, que se pueda tener el financiamiento adecuado para seguir con las investigaciones”, señaló el especialista en física de plasmas y fusión nuclear.

Imagen de una de las estructuras del National Ignition Facility, donde se han realizado los experimentos. Foto: Reuters.

Aplicaciones

Ambos especialistas de la UNAM coincidieron en que las aplicaciones prácticas para este experimento son aún distantes, ya que aunque éste fue un éxito científico la energía utilizada para encender los láseres sigue siendo alta.

“Usaron un láser que utilizó 322 MJ de energía para calentar eso. Sí ganaron de dos a tres, pero tuvieron que invertir 322. Es un gran logro, porque no se había conseguido a esa escala. Hasta ahora, era una reacción en la que sólo invertían y no ganaban. Pero todavía no se resuelve el problema que significa meter esos 322 MJ al principio. ¿Es un paso importante? Es un paso importante. ¿Es la primera vez que ocurre? También. Los estadunidenses están muy orgullosos de haberlo logrado con esta técnica”, recalcó Menchaca Rocha.

A lo que Herrera Velázquez sumó: “Ha habido un gran bombo en las publicaciones de los medios que harían pensar que con esto prácticamente tenemos resuelto el problema de hacer reactores de fusión nuclear, algo que es todavía muy lejano como para dar una idea. La razón es que para poder producir estos dos megajulios de energía del láser, en primer lugar se necesitaron 322 megajulios almacenados en bancos de capacitores. De modo que a final de cuentas estos tres MJ comparados con los 322 MJ que se toman de la red, todavía son insignificantes”.

“Para poder llegar a hacer un reactor de fusión basado en este concepto, que llamamos de confinamiento inercial, en primer lugar será necesario tener láseres más eficientes, que puedan llegar a potencias de este orden. Lo que sí resulta muy significativo de este experimento es que, por lo menos, se pudo demostrar que con láseres de unos cuantos MJ es posible tener reacciones de fusión que generen más energía”, complementó el académico.

Una ventaja del experimento desarrollado por el NIF radica en que este tipo de fusiones producen considerablemente menos residuos tóxicos, en comparación con las fisiones actuales de una planta nuclear o el consumo constante de combustibles fósiles.

“De estos núcleos ligeros, el deuterio es estable y el tritio es radiactivo, con una vida media de 12 años. Ésta es la única radioactividad, y se reduce a la mitad cada 12 años”. La esperanza es que ese tritio se consuma, porque entonces sólo produce helio. Realmente se empieza con una esfera que posee cierto nivel de radioactividad, pero al conseguir la fusión eso desaparece, subrayó Menchaca Rocha y añadió:

“Del lado de la fisión, hay una enorme variedad de residuos que se producen con vidas medias que alcanzan los miles de años. Siempre ha sido una de las objeciones de lo nuclear. ¿Qué hacer con el combustible ya usado? Porque es radioactivo y tiene ese inconveniente, es contaminante. La fusión es mucho menos contaminante que una planta que funcione con carbono o petróleo. Todas las plantas nucleares son una opción, pero tienen sus ventajas y desventajas. Por eso, este modo de energía sería el más conveniente”.

Avanzar en la reducción de los posibles residuos, acotó Julio Martinell, es una de las claves para hacer de este un proyecto viable para la mayor cantidad de gente posible: “desde el punto de vista de ingeniería, hay que hacer todavía mucho trabajo en relación a que no se produzcan materiales radioactivos como resultado de la fusión, porque siempre se hace propaganda de ella como que es la energía limpia, pero eso es cierto hasta cierto punto porque normalmente se producen neutrones”.

Y apuntó: “El combustible que se está pensando para la primera generación de reactores genera neutrones y éstos pueden activar materiales con los cuales interactúa –aunque en sí, el neutrón no es radioactivo–. Puede producir que el material de las paredes del aparato, por ejemplo, se vuelva radioactivo. Es una cuestión que se tiene que resolver para que no haya desechos radiactivos de larga duración”.

Representación artística de 192 rayos láser cuando alcanzan el objetivo en el centro de la cámara de destino del National Ignition Facility. Imagen: Reuters.

Cada vez más cerca

Arturo Menchaca Rocha recordó que desde los años 70 del siglo pasado, cuando cursó su doctorado en la Universidad de Oxford, Inglaterra, “se hablaba que se conseguiría una fusión de este tipo en 30 o 40 años, que ya iba a ser una realidad. Me doctoré hace 50 años y siempre ha habido esta cosa de ya casi. Ahora estamos más cerquita, un poco más”.

“El problema técnico es enorme”, comentó Menchaca; “sin embargo, el chiste es cómo extraer esa energía para producir electricidad. Esa parte todavía no está clara, tienen que desarrollarlo y faltan decenas de años para esa cuestión. No me cabe duda que sí lo van a hacer, es una meta muy ambiciosa”.

En esto coincidió Martinell: “El problema principal sigue siendo que no es muy eficiente el proceso de absorción de energía por parte del combustible y el tiempo que se mantiene esa energía. Hay que trabajar todavía mucho el tiempo en que se tiene confinado al plasma –que es el que da lugar a las reacciones–, aún es corto. Eso ocurre en los dos enfoques, porque esto que se anunció es en el enfoque que utiliza el confinamiento inercial, pero hay otro que es el confinamiento magnético –utiliza campos magnéticos para confinar el plasma y producir las reacciones–. En ambos casos, todavía no es suficiente el tiempo que se mantiene confinado el plasma para producir suficientes reacciones. Es en lo que se tiene que seguir trabajando”.

“Obtener energía limpia e inagotable es lo que se está buscando, pero no quiere decir que en una década, probablemente ni siquiera en dos, se vaya a tener un reactor de fusión comercial, porque ahí hablan de que probablemente para dentro de unos 20 años ya se pueda tener por lo menos un prototipo de un reactor de fusión comercial”, agregó Herrera Velázquez.

Y a lo anterior sumó: “En este momento, ellos reportan el resultado de un solo disparo y pueden hacer uno por día. Si quisiéramos tener un reactor de fusión, sería necesario tener varios disparos por minuto. La razón de repetición tiene que aumentar considerablemente, cosa que ahorita está lejos de poder hacerse”.

“Hay que mencionar que una de las motivaciones del NIF es poder validar códigos que se utilizan, lo que llaman la manutención o el diseño de armas termonucleares en Estados Unidos. Mucho de este trabajo también es clasificado. No todo es público. Mediante este tipo de simulaciones que se hacen válidas con experimentos del NIF, no tienen que recurrir a hacer pruebas nucleares”, finalizó Herrera Velázquez.

PROYECTO ITER

No sólo el National Ignition Facility ha buscado en las últimas décadas conseguir una fusión nuclear con ganancia positiva, alrededor del mundo otros proyectos buscan el mismo resultado y el más importante de ellos es el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), en el que se utiliza la técnica de confinamiento magnético.

“Para el confinamiento magnético hay una investigación muy intensa”, comentó Julio Martinell Benito, investigador del Instituto de Ciencias Nucleares. “Se piensa que para el año 2035 se pueda anunciar este mismo tipo de evento –que se tenga más energía de la que se produce–, tomando en cuenta toda la energía que se está invirtiendo en operar la máquina, no nada más lo que se está depositando en el plasma”, puntualizó.

El ITER comenzó su construcción en Francia durante 2010 y tiene a siete socios como sus promotores principales –China, la Unión Europea, India, Japón, Corea del Sur, Rusia y Estados Unidos–. “Se espera que empiece a realizar sus primeras descargas en 2025; sin embargo, hasta 2035 no se va a tener la operación con deuterio y tritio que son los dos elementos que usan principalmente los reactores de fusión”, apuntó.

El especialista universitario agregó que “confiamos en que de aquí a 12 años se pueda ya tener también esta mayor generación de energía por fusión que la que se invierte en todo el funcionamiento del aparato, se espera tener 10 veces más y a partir de eso construir un reactor de demostración que genere energía de forma comercial”.

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