El camino a la fusión

Escribimos esta nota desde el Instituto de Física del Plasma de Hefei, China, donde presenciamos los avances de este país en el desarrollo de la fusión nuclear. En una entrega anterior hablamos sobre la crisis energética a la que nos enfrentamos, el fracaso de las fuentes alternativas y adelantamos que la fusión abre un camino de esperanza.

Pero, ¿qué es la fusión? ¿Cómo se desarrolla? ¿Cuán cerca estamos de lograrla?

La naturaleza nos brinda una solución posible a nuestros problemas, con el mecanismo que utiliza para producir las enormes cantidades de energía que emanan del Sol y las estrellas. El proceso de fusión, al igual que la fisión, se basa en reacciones nucleares. En este caso, en lugar de partir un núcleo grande en otros más pequeños, se unen dos núcleos livianos y producen uno más pesado. La diferencia entre las masas de los núcleos reactantes y las del producto final se convierte en energía (con la famosa ecuación E=mc²).

La fusión es una reacción nuclear que no involucra fuerzas electromagnéticas (como en las reacciones químicas), sino una fuerza mucho más potente llamada “interacción fuerte”.

La interacción fuerte sólo actúa en un rango sumamente corto. Para que los núcleos puedan interactuar deben estar a una distancia de un millonésimo del tamaño de un átomo (10^-15 metros). Los núcleos del hidrógeno tienen un protón, que es una partícula cargada. Las cargas iguales se repelen en forma inversamente proporcional a la distancia (al cuadrado). A distancias tan pequeñas, la fuerza de repulsión es gigantesca. Para sobreponerse a esta repulsión, los núcleos deben chocar a una velocidad enorme, lo que significa que la temperatura de la materia debe ser inmensa.

En el Sol, la temperatura es altísima (15 millones de grados), la masa del mismo genera una enorme atracción entre las partículas y la densidad también es grande. Incluso así, la probabilidad de que dos núcleos se encuentren lo suficientemente cerca como para superar la barrera de repulsión electromagnética y someterse al dominio de la fuerza fuerte es baja. En promedio, a un protón le toma algunos cientos de millones de años en fusionar con otro protón. Pero en el Sol, este tiempo es apenas un parpadeo.

El gran desafío entonces es lograr producir algún proceso de fusión en la Tierra, donde no contamos ni con los tiempos, ni con las masas estelares y donde tampoco existen materiales que puedan soportar temperaturas de millones de grados.

Lo primero que se hizo fue llenar un recipiente de hidrógeno y ponerlo dentro de una bomba nuclear. En esto consiste básicamente la Bomba H, que demuestra que hacer fusión en la Tierra es posible y sirve para liberar muchísima energía. La cuestión es cómo producir un uso controlado de la fusión sin reventar todo por el aire.

El Tokamak

A temperaturas lo suficientemente altas, las ligaduras entre las moléculas, las moléculas en sí y los propios átomos se rompen, y sólo queda una sustancia llamada plasma, que consiste en electrones y núcleos sueltos. Este es el estado del 99% de la materia conocida, ya que todas las estrellas son plasma. El plasma es un fluído extraño, difícil de tratar con las leyes físicas clásicas, pero con una característica particular que permite dominarlo experimentalmente: como consiste en partículas cargadas, se lo puede dirigir mediante campos magnéticos.

En los años 50, surgen las primeras ideas de confinar plasmas de muy alta temperatura en “botellas” magnéticas. La idea es mantener el plasma en un recipiente, pero suficientemente “apretado” como para que éste no toque las paredes. Y luego, dejarlo interactuar para que se produzcan las reacciones de fusión, y salgan los neutrones hacia turbinas, produciendo la gran energía buscada. 

En 1955, se realizó la Conferencia Internacional de las Naciones Unidas sobre los Usos Pacíficos de la Energía Atómica en Ginebra, donde cada país presentó las ideas que tenía en elaboración, intentando desclasificar los proyectos de investigación y lograr, mediante la colaboración internacional, llegar a algún método plausible de producir fusión en forma controlada.  

Allí los rusos presentaron el “Tokamak“, acrónimo de “Cámara Toroidal con Bobinas Magnéticas”. Este dispositivo consiste en un recipiente en el cual el plasma puede viajar en una trayectoria circular, dando vueltas sin interrupciones. La idea parece sencilla, y entre 1960 y 1990 tuvo numerosos avances, aunque también se fue enfrentando con numerosos problemas. Para el lector interesado en el desarrollo histórico de los Tokamaks, recomendamos leer este artículo, muy completo y simple, de Wikipedia. Vale la pena leerlo por la aparición de Argentina en el proceso, con Perón y cierto científico austríaco en la Patagonia, que generó pánico en medio de la guerra fría y revivió el interés por la fusión.  

Los problemas de la fusión termonuclear

Para lograr que la fusión se produzca a una escala práctica, se deben cumplir algunas condiciones mínimas:

1. La temperatura debe estar alrededor de los 100 millones de grados (¡casi 10 veces la temperatura del Sol!), para que ocurran las reacciones Deuterio-Tritio en forma eficiente.
2. El tiempo de confinamiento debe ser suficiente para que puedan ocurrir las interacciones.
3. La densidad debe ser superior a cierta cota para que la cantidad de Helio resultante pueda mantener el plasma encendido.

Lo complicado es que estas tres condiciones se deben cumplir simultáneamente en lo que se conoce como el “Criterio de Lawson”, el valor mínimo que debe tener el producto de Temperatura x Tiempo x Densidad.  

Los desafíos técnicos de lograr que un aparato así funcione, y aún más, de que de allí se pueda extraer energía útil, son inmensos e imposibles de explicar brevemente. Durante los inicios del desarrollo, se creía que toda la física del proceso era conocida, y que sólo se trataba de un problema de ingeniería. Sin embargo, con la llegada de las supercomputadoras a principios de este siglo, pudieron generarse modelos matemáticos que mostraron que la complejidad del problema teórico es mucho mayor de lo que se suponía. Sin entrar en demasiados detalles, vamos a spoilear una parte: en 1997 se logró efectivamente llegar a la ignición de la reacción D-T en el JET (Joint European Torus) de Inglaterra. 

Sin embargo, para generar las condiciones de ignición se tuvo que invertir una enorme potencia de entrada. Aquí aparece el factor Q, que es la potencia que se extrae dividida por la potencia de entrada. Y por supuesto, se busca que los tokamaks generen potencia con un factor Q>1. Otro desafío consiste en lograr una potencia de salida razonable. Lógicamente, no es interesante que salgan unos pocos neutrones para comprobar que el proceso existe, sino que se busca una gran cantidad, que pueda hacer mover las turbinas de los generadores. Esta potencia depende del volumen del plasma y de la intensidad del campo magnético de confinamiento. Cuanto mayor es el dispositivo, más energía requiere y más difícil se torna controlarlo. La otra vía es generar campos magnéticos cada vez más potentes, otro desafío no trivial.  

La evolución de la fusión termonuclear controlada ha sufrido momentos críticos, ya que no sólo no estaba funcionando, sino que cada vez exigía mayores recursos económicos, para poder construir tokamaks más grandes. Las investigaciones en fusión fueron muy cuestionadas, y en muchos países, desfinanciadas. Los proyectos faraónicos irrealizables y pocos avances concretos, produjeron un desgaste muy grande.  

ITER

Cerca del final de la guerra fría, Reagan y Gorvachov impulsaron la idea de unificar los esfuerzos de los diversos países en un gran reactor financiado en conjunto. Que cada país tenga sus propios reactores experimentales era una pérdida de plata y tiempo. Europa y Japón ya habían comenzado a colaborar y las grandes potencias se sumaron. Así nace ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), en el cual participan EEUU, Europa, Rusia, China, Japón, Corea e India, que planea tener un Q>5.

Más allá de un proyecto de reactor, ITER es una organización internacional que funciona como el agrupamiento de la investigación sobre fusión. El objetivo de ITER no es la generación de energía aún, sino centralizar los esfuerzos y lograr una enorme cantidad de avances científicos y técnicos. Busca abrir el camino para la siguiente fase, llamada “DEMO”, en la cual cada país se ocupará de construir un reactor que pruebe que la extracción de electricidad del mismo sea posible. Luego de la etapa DEMO, comenzaría la etapa de la construcción comercial y masiva de reactores. Todo eso, si es que funcionan y rinden, y el mundo sigue en pie para entonces.  

Los problemas que tiene el proyecto de ITER son múltiples, pero en general se pueden reducir a su coste, que resulta en tensiones entre los países miembros (como cuando EEUU decidió abandonar el proyecto por algunos años), y a las enormes dificultades técnicas del proyecto (por ejemplo, sus dimensiones). ITER, como todo el proyecto de la fusión, recorrió un largo camino, lleno de dificultades y atrasos. Hoy, a 30 años del comienzo del proyecto, aún no se terminó de construir.   

Sin embargo, ningún país tiene la capacidad ni la voluntad de encarar por sí solo un proyecto de semejante envergadura. Los esfuerzos nacionales en la búsqueda de la fusión están generalmente encausados en reactores más chicos, más baratos, fáciles y rápidos para construir, que no buscan ni un Q grande ni generar energía, pero permiten probar nuevas tecnologías y realizar experimentos, pensados como “soportes” de ITER. Un ejemplo de esto es el EAST que nombramos en la nota anterior, que busca probar el funcionamiento de los superconductores para el sistema de confinamiento electromagnético.  

De cualquier manera, de a poco las grandes potencias van empezando a buscar alternativas que no estén atadas a lo que puede empezar a ser visto como un dinosaurio, o una reliquia de otra era.

Algunas alternativas

La primera surge de EEUU. Allí, al igual que con la industria espacial, se empezó a ver la aparición del sector privado en la escena por primera vez. El riesgo de que no funcione y los plazos tan largos para poder llegar a ver algún resultado hacen compleja esta entrada. Es fácil sospechar de las diversas start-ups de fusión, generalmente con estilos de reactores distintos a los tokamaks, que aparecieron durante los últimos años, haciendo grandilocuentes promesas para atraer inversores (y buscando subsidios estatales). Por otro lado, tercerizar los costes puede abrir nuevas vías de desarrollo que terminen trayendo algún avance tecnológico inesperado.  

El más serio de estos proyectos es SPARC, un tokamak diseñado en conjunto por el MIT y el grupo Commonwealth Fusion Systems, que se planea se termine de construir en 2025. Entre los inversores principales están Bill Gates, Jeff Bezos, Bloomberg, Soros y varios fondos internacionales, como la corporación petrolera noruega. El roadmap incluye otro siguiente reactor llamado ARC que ya buscará generar electricidad, aunque sea en pequeñas cantidades. No por casualidad tiene el mismo nombre que el reactor de Tony Stark/Iron Man. El objetivo explícito de este proyecto es “acelerar la viabilidad comercial de la energía de fusión a tiempo para afrontar los desafíos del cambio climático”. En principio no parece estar planteado como alternativa a ITER, pero si como paralelo. Utilizará tecnología muy avanzada, pero a escala más chica.  

El otro gran polo de la fusión, en el cual nos queremos detener con mayor profundidad está, no sorprendentemente, en China. La República Popular empezó su desarrollo en la fusión en los 70. En 1995, el Instituto Kurchatov de Rusia les regaló el reactor T-7, el primero en China en utilizar superconductores. Fue renombrado HT-7 por Hefei, la ciudad donde se instaló. En esos momentos, la capacidad tecnológica de China estaba aún muy atrasada. Pocas décadas después, es una de las principales potencias en el área y la provincia de Anhui, y específicamente su capital Hefei, se convirtió en un polo central del desarrollo científico-tecnológico de último nivel.  

China tiene muchos reactores en operación, algunos como instituciones autónomas dependientes de la Academia China de Ciencias y otros en la órbita de universidades. El más importante es el EAST en Hefei, que ya nombramos anteriormente. China ya prepara también su proyecto de DEMO, que se va a llamar CFETR, aunque no se empezará a construir hasta que esté terminado el trabajo de ITER o algún equivalente. Además están terminando de construir CRAFT, un centro de investigación, testeo y manufactura dedicado exclusivamente a la fusión.

Y en esta sintonía tenemos que hablar de una primicia: BEST. Este es otro proyecto de reactor, del cual es imposible encontrar información online, porque si bien no es confidencial, aún no está aprobado ni es público. Su costo lo afrontará, en principio, la provincia de Anhui. BEST está pensado como paralelo a ITER, como soporte científico y experimental del futuro CFETR. Se planea que se empiece y termine su construcción en los próximos 5 años. Posiblemente allí está la gran diferencia entre los proyectos chinos y los internacionales: cuando en China se establece un roadmap con ciertos plazos, estos se cumplen.  

BEST y CFETR podrían entenderse como la apertura de la posibilidad de construir un camino propio hacia la etapa DEMO, sin tener en cuenta a ITER. No podría sorprendernos que, si ITER continúa atrasándose y perdiendo apoyo, China decida continuar por su propia cuenta. Más aún en un contexto de creciente polarización internacional, con sanciones y amenazas de expulsión de varios organismos internacionales. Paradójicamente no sólo China no se retira de ITER, sino que es el país que está involucrado en más partes del proyecto. Para entender esto podemos ver dos tipos de razonamientos: ideológicos y prácticos.  

Lo ideológico parte de la cosmovisión actual del Partido Comunista. La apertura hacia el mundo es una política de estado y especialmente en lo orientado a organizaciones y proyectos de colaboración internacional. En el marco científico esto se intensifica aún más, bajo la premisa de que la investigación de ciencias básicas debe internacionalizarse. En estos momentos, el desarrollo científico está como una de las grandes prioridades del PCCh. La ciencia, con una perspectiva de activa colaboración y cooperación internacional, aparece en todos los discursos oficiales en un lugar privilegiado. Y en el modelo Chino, se le da una extremada importancia a seguir esos lineamientos.   

En el aspecto práctico encontramos varias cuestiones. En primer lugar, participar fuertemente en ITER le da legitimidad a China en la arena internacional, además de permitir canales de cooperación con países con los que suele haber conflicto. Pero, más importante aún, ITER funciona con una serie de contratos, donde ciertas “partes” se las adjudican a diversos países. China sólo pone 9% del financiamiento de ITER pero recibe una gran cantidad de esos contratos por su gran capacidad tecnológica e industrial. El desarrollo tecnológico y científico de ITER, y por ende del resto del mundo que colabora con él, es enormemente valioso y útil. En resumen, el propio desarrollo de la fusión en China está entremezclado con el de ITER en una relación win-win.

El futuro de la fusión

El camino hacia la fusión fue, es y será largo y complejo. Aún no es seguro siquiera que vaya a funcionar en algún momento. Menos aún que llegue a tiempo para nuestra generación, que no nos vayamos a extinguir antes o que ya hayamos solucionado todos nuestros problemas de alguna otra manera. No es sensato apostar el 100% de los esfuerzos a este camino y hay que saber escuchar a los críticos que señalan las promesas incumplidas y los retrasos permanentes.

También es cierto que los esfuerzos de los últimos años están dando resultados. Sea con la vía de la inversión nacional, la colaboración internacional o el sector privado, la búsqueda de una fuente de energía revolucionaria, limpia y segura continúa. No es algo muy “científico”, pero es importante tener fe y esperanza. Y si tenemos suerte podremos ver dentro de no mucho los primeros resultados de ITER, de BEST y de SPARC, y quizás empezar a vislumbrar el comienzo de una nueva era.

Santiago Mitnik

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