¿Fusión nuclear? No tan rápido

El 13 de diciembre de 2022, el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) anunció un gran avance en la fusión nuclear. Por primera vez en la historia, científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore lograron una "ganancia neta de energía" en la fusión, liberando más energía de la que se consumía en la reacción. Inmediatamente, los periodistas escribieron artículos casi utópicos describiendo la inminente abundancia de energía limpia. Jennifer Granholm, Secretaria de Energía de EE.UU., resumió el entusiasmo: "Este hito nos acerca un paso significativo a la posibilidad de que la energía de fusión con abundancia cero de carbono alimente nuestra sociedad".

Desgraciadamente, nuestras investigaciones demuestran que la probabilidad de que la fusión nuclear proporcione energía utilizable sigue siendo extremadamente baja.

Existen dos reacciones "nucleares": la fisión y la fusión.

Durante una reacción de fisión, el núcleo de elementos pesados importantes (especialmente el uranio) se rompe en elementos más ligeros. Durante la transformación, la masa elemental se convierte en energía según la famosa ecuación de Einstein E=MC2. Sólo un isótopo específico del uranio (U-235) es propenso a la fisión nuclear espontánea; si todo el uranio sufriera fisión, no quedaría nada en la Tierra. La clave para crear una reacción de fisión en cadena es enriquecer el uranio natural desde un 0,05% de U-235 en masa hasta un 5-7%. En determinadas circunstancias, las barras de combustible de uranio poco enriquecido verán cómo algunos de sus isótopos de U-235 sufren la fisión, liberando la energía de los neutrones. Estos neutrones provocarán nuevas reacciones de fisión en los átomos de uranio cercanos: una reacción en cadena.

La energía liberada durante esta reacción en cadena se absorbe (actualmente con agua a alta presión y pronto con sal fundida) y se utiliza para hacer girar una turbina y generar electricidad. El calor de la reacción suele oscilar entre 300 y 500 grados Celsius. Variando el grado de enriquecimiento y la configuración física, una reacción de fisión puede extinguirse, mantener una reacción en cadena en estado estacionario (reactor nuclear de potencia) o generar una liberación de energía supercrítica incontrolada (una bomba atómica). La fisión incontrolada se demostró por primera vez en las instalaciones de ensayo de Los Álamos (Nuevo México) en el marco del Proyecto Manhattan con la Prueba Trinity en 1945. La fisión controlada generó energía por primera vez en 1951 en el EBR-I de Idaho y se ha utilizado desde entonces.

En las circunstancias adecuadas, átomos muy ligeros (normalmente dos isótopos específicos de hidrógeno) se fusionan para crear un átomo más pesado, liberando cantidades prodigiosas de energía. En circunstancias normales, los iones (átomos desprovistos de sus electrones) se repelen. Para superar las fuerzas de repulsión que impiden la fusión de los átomos son necesarias temperaturas y presiones extremadamente elevadas (típicas de las estrellas).

La detonación de Ivy Mike, la primera bomba termonuclear de hidrógeno del mundo, demostró con éxito la fusión galopante en 1952. Una bomba atómica generó energía suficiente para crear las temperaturas y presiones extremas necesarias para permitir la fusión del deuterio y el tritio (isótopos del hidrógeno y el litio, respectivamente).

Ya en 1956, los científicos esperaban aprovechar la fusión nuclear para producir energía útil. Sin embargo, mientras que la fisión tardó seis años desde la reacción inicial incontrolada hasta una primera central eléctrica, la fusión controlada ha resultado mucho más esquiva.

El reto proviene de las condiciones extremas de funcionamiento, es decir, la temperatura y la presión. El criterio de Lawson determina el llamado "producto triple", o combinaciones de temperatura, presión y tiempo que darán lugar a la fusión de dos átomos. Ha habido varias aproximaciones a la fusión, todas ellas con temperaturas o presiones extremas. El elemento temporal ha sido el más complicado, dadas las dificultades para mantener temperaturas y presiones extremas durante intervalos de tiempo mínimos.

Un elemento crítico de una reacción sostenida es el factor "Q", que mide cuánta energía libera la reacción de fusión en comparación con cuánta energía consume para crear las condiciones adecuadas (alta temperatura y presión). Hasta finales del año pasado, ningún reactor había tenido un factor Q superior a uno, es decir, más energía liberada que consumida. En un acontecimiento ampliamente anunciado el pasado diciembre, la National Ignition Facility (NIF) de Lawrence Livermore anunció que por fin había superado la esquiva barrera, logrando un factor Q de ~1,5x.

En primer lugar, el factor Q era algo engañoso para un público no científico. El láser del NIF generó un pulso que suministró 2,05 MJ de energía a una pastilla de combustible de 1 cm de diámetro. La energía despojó inmediatamente al combustible de sus electrones y calentó los iones a una temperatura interna de tres millones de grados, lo que precipitó la reacción de fusión. La reacción liberó 3,15 MJ de energía, lo que dio lugar a un factor Q de 1,5x. Sin embargo, el láser consumió casi 300 MJ de energía, lo que sugiere que la reacción consumió ~100 veces más energía de la que liberó. Además, la reacción duró menos de una milmillonésima de segundo. Para crear electricidad, la reacción debe funcionar continuamente, disparándose 846.000 veces al día.

Teóricamente, un factor Q superior a uno podría dar lugar a una "ignición", en la que la energía liberada es suficiente para permitir una fusión adicional en una reacción en cadena sostenida, similar a la fisión. La diferencia es que las reacciones de fisión en cadena son en gran medida pasivas: las barras de combustible sufren una fisión sostenida una vez insertadas sin apenas intervención. Generar los 1,15 MJ de ganancia neta de energía con la fusión (suficiente para alimentar una tostadora durante 15 minutos) requirió la colocación precisa de 192 grandes láseres centrando su salida en una pastilla hiper pulida de menos de 1 cm de diámetro. La probabilidad de una fusión en cadena sostenida no es práctica.

Muchos periodistas señalaron que, aunque el avance de diciembre aún no estaba "listo para el prime time", demostraba que la adopción generalizada de la fusión era sólo cuestión de tiempo. Por desgracia, esta lógica es muy perjudicial, sobre todo si se buscan soluciones fácilmente adaptables al problema de la producción de CO2.

La fisión nuclear es una tecnología probada que puede desplegarse a escala con relativa rapidez para mejorar el rendimiento energético de las inversiones y hacer frente a las emisiones de carbono. Los reactores de fisión nuclear de generación IV generarán hasta 180 unidades de energía por cada unidad consumida, producirán pocos residuos o ninguno y serán seguros. Las empresas de servicios públicos podrían desplegar comercialmente estas tecnologías en al menos siete años con un acceso abierto a los mercados de capitales.

En lugar de apostar por los reactores de fisión de nueva generación (pequeños reactores modulares), los inversores han invertido unos 5.000 millones de dólares en empresas privadas de fusión nuclear (ninguna de las cuales participó en el "gran avance" del NIF). En nuestra opinión, esta tecnología nunca será viable como fuente de electricidad.

La respuesta a nuestras necesidades energéticas está en una tecnología mucho más prosaica, disponible ahora y que funciona con seguridad desde hace siete décadas.

Vaclav Smil describe la fisión nuclear como el mayor fracaso de la historia. Es un éxito porque ha alcanzado todos sus objetivos; es un fracaso porque inexplicablemente nos negamos a adoptarla.

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