China y la energía del futuro

Estos últimos meses, quienes escribimos esta nota pudimos presenciar, en primera persona, el desarrollo chino en el área de la Fusión Nuclear, en el Instituto de Física del Plasma de Hefei, y en el EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak).

La fusión nuclear es el mecanismo que emplea el Sol y las estrellas para producir enormes cantidades de energía. Desde su descubrimiento hace un siglo, en los albores de la Física Cuántica, promete ser la solución a todos los problemas energéticos de la humanidad. Sin embargo, por diversos motivos, esto no es nada fácil. La búsqueda de lograr construir un “Sol artificial” lleva casi un siglo ya.

El pasado 13 de Abril, a las 21 horas, sucedió un hecho significativo: en el EAST se alcanzó un confinamiento de plasma en alto estado estacionario por 403 segundos, un récord absoluto. Con esto se logró cumplir un objetivo clave en el largo camino hacia el desarrollo de un reactor de fusión nuclear.

Si bien es conocido el lamentable rol que desempeña la prensa libre occidental en todo lo relacionado con China, es llamativo el ninguneo de un acontecimiento tan importante. Más llamativo aún es el silencio en la misma comunidad científica, que sólo ha tomado cuenta del suceso en las áreas directamente involucradas en el hecho. Sin ir más lejos, el próximo volumen de Scientific American, estará dedicado al futuro de la energía por fusión, destacando el avance innovador producido en California en NIF (National Ignition Facility), en los últimos días de Diciembre del 2022, pero ignorando completamente las actividades realizadas en China.

De todos modos, no exageramos cuando destacamos la importancia de lo ocurrido en EAST. Esta semana, Hou Jianguo, presidente de la Academia China de Ciencias (el equivalente a nuestro CONICET) presentó un artículo en el que describe la participación activa de China en los principales proyectos internacionales de cooperación científica y tecnológica. En este artículo, de carácter tanto científico como político, destaca en primer lugar, el importante rol que esta desempeña en el proyecto internacional ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). ITER es la suma de los esfuerzos de todos los países desarrollados en la investigación sobre la energía de fusión.

Dada la importancia del tema y enorme complejidad de este tema vemos la necesidad de abordarlo tanto desde un aspecto científico como geopolítico, por lo que vamos a dividir la nota en varias partes.

Primero, hablaremos del problema energético mundial, describiremos los recursos actuales, las reservas y las perspectivas. La demanda mundial aumenta constantemente, a un ritmo que no puede satisfacerse de un modo económicamente posible y en armonía con el medioambiente. Es por ello que existe una urgente necesidad de lograr una fuente de energía que sea sustentable, limpia y segura. 

Más adelante explicaremos cómo la fusión puede ser una posible solución a este problema. Haremos una breve introducción a los conceptos básicos necesarios para entender qué es el plasma, de qué se trata la fusión, y cómo esta puede ser parte de la solución al problema energético. 

También, veremos cuáles han sido las dificultades técnicas, económicas y políticas para dominar la fusión, y por qué esto lleva tanto tiempo. En particular, nos detendremos en la historia de los distintos experimentos, y en cómo se vislumbran los futuros reactores.

Esto está profundamente relacionado con el camino elegido por China para el desarrollo del área. En el campo de la fusión, China ha pasado de ser un integrante menor del consorcio mundial, a ser en la actualidad uno de los principales protagonistas, y con vistas a ser el líder no solo en los aspectos tecnológicos, sino también en los desarrollos científicos. En estos días, China lanza ambiciosos proyectos de colaboración internacional y apuesta por la cooperación como el instrumento principal para el avance científico. El diseño de esta estrategia es sumamente complicado en la coyuntura actual. En este aspecto, la ciencia y tecnología se involucran directamente en la geopolítica, y China avanza en múltiples direcciones para sostenerse en un delicado equilibrio entre la apertura al mundo y las sanciones y bloqueos comerciales.

Los números

Vamos a comenzar sacándonos de encima conceptos técnicos específicos. Puede resultar molesto, pero es importante para evitar algunas confusiones. En primer lugar, debemos distinguir entre dos conceptos fundamentales:

1. ¿Qué es la Energía? Es la capacidad de hacer trabajo, y tiene varias definiciones, según

la disciplina que la involucre. Su unidad de medida es el Joule. 

2. ¿Qué es la Potencia? Es la cantidad de energía que se utiliza por unidad de tiempo, o

sea, energía dividido tiempo.

No es lo mismo levantar una piedra de 1 kilogramo a una altura de 1 metro (definición de 1 Joule) durante 1 segundo, que durante en una hora. La unidad de potencia es el Watt, que se define como Joules por segundo (Joules dividido segundos). Dadas las cantidades involucradas en nuestro artículo, vamos a emplear el GigaWatt (GW), donde la “G” significa Giga, o sea mil millones de Watts (10^9 W).

Hay que tener cuidado con los números y unidades. En muchos artículos o libros de texto, encontraremos afirmaciones como “con esta energía es posible iluminar 4000 casas durante un segundo”. En realidad, es lo mismo que decir “con esta energía es posible iluminar una casa durante una hora”, que sugiere ser una cantidad mucho mas modesta. También podemos malinterpretar las unidades. Por ejemplo, 1 MegaJoule (1 millón de Joules), que aparenta ser una cantidad enorme, es la energía que se consume encendiendo una lámpara de 100 W durante 2 horas. 

Los recursos energéticos pueden utilizarse en forma directa (calefacción, industria, transporte) o indirecta (generación de electricidad). A partir de ahora, sólo nos referiremos a esto último.

¿Cuánta energía necesitamos?

El consumo energético mundial es de aproximadamente un billón de GigaJoules (10^12 GJ) por año. El de Argentina está en el rango de mil veces menor. Es muy difícil recurrir a la información oficial, ya que está plagada de errores, utilizan unidades incorrectas, y tienen notaciones ambiguas.

En terminos de Potencia, tenemos una capacidad instalada de 40 GW. Consumimos, en promedio, unos 16 GW. El pico de potencia consumida (esos días cristinistas de extremo calor en el que se encendían todos los aires acondicionados) marca récords cerca de los 30 GW, acariciando el límite de la potencia instalada. Un tercio de esta potencia se produce con fuentes renovables (las más importantes: Yaciretá: 3 GW, Salto Grande: 2 GW, Piedra del Águila: 1 GW, Chocón: 1 GW). Para comparar más adelante la energía producida por los reactores de fusión, es bueno saber que Atucha tiene una potencia instalada de 1 GW (0.3 en Atucha I y 0.7 en la II).

Para concluir entonces con números redondos, una planta energética de 1 GW de potencia, puede abastecer a una ciudad de 3 millones de habitantes en un consumo promedio argentino.

¿Cuánta energía nos queda?

Hay una frase famosa a la que se le atribuyen muchos autores: “es difícil hacer predicciones, sobre todo respecto al futuro”. Lo cierto es que no nos queda demasiada energía, y deberíamos empezar a preocuparnos.

Los cálculos para combustibles fósiles primarios dan que hay carbón para 200 años, petróleo por 40, y nos queda gas natural por unos 30 años más. Estos cálculos son siempre muy groseros. No toman en cuanta a la lutita bituminosa (shale oil), ni la fuerte industrialización que están teniendo India y China, entre otros factores que pueden modificar sustancialmente los resultados.

La conversión eléctrica del carbón es eficiente, la tecnología está muy desarrollada, y está bastante bien distribuído en el mundo. Para producir 1 GW durante un año, necesitaríamos 2.5 millones de toneladas de carbón, que más o menos llenarían una cancha de River.

Siendo el carbón el recurso energético más utilizado globalmente, podríamos considerar que 200 años es un tiempo suficiente como para no tener que preocuparnos demasiado, a menos que tomemos escalas temporales del estilo de Liu Cixin (que parece tener mucha influencia en el campo científico chino, cosa que nos produce una sensación por demás terrorífica).

Sin embargo, sí existe un problema gravísimo, y es el ambiental. Todos los combustibles fósiles emiten sustancias tóxicas, y en particular, dióxido de carbono (CO2) que produce efecto invernadero. No se trata de un detalle menor. La producción de 1 GW durante un año, produce 6 millones de toneladas de CO2. Con el aumento pronosticado de temperatura debido a estos gases, podrá existir el carbón durante 200 años, pero no habrá gente que pueda utilizarlo. Podemos discrepar en muchas cosas con los ambientalistas, pero no en este punto.

Queda entonces analizar las otras alternativas, de recursos que no polucionen ni dañen el ambiente, y que puedan satisfacer la demanda energética. Existen muchos candidatos, que analizaremos a continuación.

Energía Solar:

Proporciona un recurso renovable, ilimitado y no es contaminante. Sin embargo, sólo podemos aprovechar la luz solar de día, y en algunas regiones del planeta. La conversión a energía (con eficiencia del 10 %) requiere de materiales especiales, y estos de transporte, manufacturación, y otras cuestiones que la convierten en un recurso sumamente caro.

Aporta una solución muy interesante para calefaccionar y suministrar electricidad a hogares, sin resolver la cuestión a nivel global. Tiene un problema fundamental y consiste en la gran cantidad de superficie que debe emplearse en este recurso. Como ejemplo ilustrativo: para suministrar una potencia que pueda abastecer a una ciudad como La Plata, necesitaríamos una planta fotovoltaica con una superficie aproximadamente similar a la de la misma ciudad de La Plata.

Energía Eólica:

Otra de las figuritas valiosas, que pueden aportar soluciones locales, pero que no resuelven el problema energético. Se trata de un recurso renovable, sin polución, cuyo precio es alto, pero tolerable. Al no requerir ciclo de vapor, es muy eficiente en la conversión energética. Pero tampoco hay viento en todos lados, ni todos los días. Si el viento es débil no hay electricidad, y si es muy fuerte, se pueden dañar los mecanismos. Por lo tanto, la eficiencia se reduce prácticamente a un tercio. 

No hicimos la cuenta rigurosa con La Plata, pero contamos con los datos de Boston que tiene la misma población, pero un consumo 10 veces mayor: para abastecerla se requieren de 4000 molinos, que ocuparían mil kilómetros cuadrados. O sea, una superficie de ocho Bostons. Y por supuesto, nuestros amigos ambientalistas podrán quejarse del ruido, de los pájaros, y de la estética. Mientras los noruegos nos venden esta tecnología como la solución más limpia y amigable para el medioambiente, sería bueno que nos cuenten de dónde y en qué condiciones se extrae el Neodimio que utilizan en ella.

Fisión Nuclear:

Fue descubierta por Otto Hahn y Fritz Strassman en Berlín, en 1938. Aprovecha el alto contenido energético de algunos elementos radioactivos pesados. Este es el mecanismo que se utiliza en las centrales nucleares clásicas, desde el primer reactor nuclear que se construyó en Chicago en 1942, como parte del Manhattan Project hasta los más modernos que se utilizan en la actualidad. 

En la Figura 2, se ilustra una de las reacciones más comunes. El Uranio 235U es bombardeado con neutrones. El núcleo resultante (236U) es radioactivo, y se desintegra en algún sistema que tenga menor energía. En esta reacción se liberan más neutrones, que reparten entre ellos la diferencia de energía resultante. Como los neutrones salen con una gran energía, pueden colisionar con otros núcleos y sostener la reacción.

En una reacción química típica en la que intervienen los combustibles fósiles, se liberan energías del orden de 10 eV. (el electronVolt es muy pequeño, 10^ -19 Joules). Si bien esta energía parece misérrima, la cantidad de moléculas que existen por unidad de volumen, es enorme (en un par de gramos, puede haber 10^24 moléculas). En la reacción nuclear que describimos recién, los neutrones llevan una energía del orden de los MeV, o sea millones de electronVolts. Para volver a comparar con los combustibles fósiles, para generar 1 GW durante un año se necesitan 150 toneladas de Uranio.

La función del reactor nuclear es controlar los procesos de fisión, y evitar que se desbande en una reacción en cadena que haga volar todo por los aires. Paradójicamente, cuando se habla de seguridad, no siempre se refieren a este aspecto, ya que las centrales nucleares cuentan, en general, con extremas medidas precautorias. El problema básico de esta tecnología reside en los desechos nucleares que produce. Y esto no es un problema ambiental muy grave, sino que es un problema esencialmente político.

Con nuestro ejemplo de producción de 1 GW durante un año se acumularían algunas toneladas de residuos nucleares. Los desechos nucleares de corta vida media (unos 30 años) se pueden almacenar. No ocupan un volumen grande, por lo tanto, esto no se presenta como un problema insoluble. Los residuos nucleares de larga vida se pueden reconvertir y reprocesar. Hacer esto exige un alto costo tecnológico y material, pero si es por salvar al planeta, tendrá sentido hacerlo. Sin embargo, dentro de la lista de desechos que se generan en un reactor, aparece el Plutonio, con el cual los “países terroristas” podrían fabricar armas nucleares.

El uso de la energía nuclear creció rápidamente en los años 70 durante la crisis del petróleo, llegando a alcanzar un pico del 18 % del suministro energético global en 1996. Hasta Agosto del 2020 existían 441 reactores operables en 31 países, 54 en construcción y 109 planeados, constituyendo el 10.2 % de la producción eléctrica. En Europa, la producción de energía nuclear alcanzó un pico del 30 %, y ahora es del 25 %. Francia llegó a tener más del 80 % en 2013, y espera reducirlo al 50 % en 2035. 

Una de las razones de este declinamiento son los accidentes importantes (que han sido muy pocos, Three–Mile Island en Pennsylvania 1979, Chernobyl en 1986, y Fukushima 2011), El desastre de Fukushima ha sembrado particularmente el pánico dentro del ámbito político, notablemente en países como Alemania que decidió suspender todos los proyectos e incluso desmantelar las centrales nucleares existentes.

Ciertos sectores del movimiento ambientalista, sumados a diversos lobbys políticos, están logrando que la fisión deje de ser vista como la solución principal al problema energético mundial.

Lo cierto es que la tecnología de los reactores nucleares se ha estancado. La inversión se desplazó a nuevos conceptos, como la energía eólica y solar, o al shale oil. El mercado es dominado agresivamente por Estados Unidos, y los nuevos modelos de reactores, más baratos y eficientes, continúan en las mesas de diseño. Sólo Rusia y China se encuentran trabajando activamente en esto en la actualidad. Claro que esto es la situación previa a la guerra en Ucrania, que cambió bastante la ecuación.

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