Fusión nuclear: la cuenta atrás ha comenzado

Imitar a las estrellas, lograr la fusión nuclear, es un sueño posible desde que el científico soviético Andrei Sakharov diseñó una botella magnética en la década de los años 1950, el tokamak, que permitía confinar un plasma.

Hoy rozamos el sueño de una energía limpia y barata con la punta de los dedos. Sin embargo, los desafíos pendientes requieren llevar al límite la tecnología que hasta ahora ha sido capaz de desarrollar la humanidad.

Confinar partículas centenares de segundos

Producir reacciones de fusión es relativamente sencillo, puede realizarse en cualquier laboratorio que disponga de un pequeño acelerador. La dificultad estriba en producir un número suficiente de reacciones, de forma continua (o al menos durante largos periodos de tiempo) de tal forma que la energía producida sea mayor que la invertida en el proceso.

ITER (International Termonuclear Experimental Reactor) permitirá, si todo va bien, demostrar que son posibles las reacciones de fusión de forma continua durante centenares de segundos, con una ganancia neta de energía.

En Europa, casi todos los esfuerzo de la comunidad científica se han centrado en desarrollar la llamada fusión por confinamiento magnético. Es la idea básica de la «botella» magnética, el tokamak que diseñó Sakharov.

En esta «botella», los átomos que tienen que fusionarse se mantienen «confinados» en un volumen reducido y a alta temperatura (más de 150 millones de grados) mediante la utilización de campos magnéticos.

En general, los avances que se han ido dando para conseguir la fusión como fuente de energía se han basado en la construcción de contenedores cada vez más grandes, en los que se ha podido estudiar el comportamiento de las partículas confinadas.

En España disponemos de un dispositivo de confinamiento magnético construido en los años 90 en el CIEMAT y que durante muchos años ha sido el más grande de Europa entre los de su categoría.

Pero el dispositivo más grande ahora mismo en Europa es el JET(Joint European Torus), ubicado en Culham (Reino Unido). Aunque los objetivos de JET se han centrado más en entender el comportamiento de las partículas a esas temperaturas y no tanto en maximizar la producción de energía, JET tiene hoy en día el récord de producción de energía. JET ha llegado a generar hasta el 65 % de la energía invertida.

Un paso después de ITER: DEMO en acción

ITER no producirá energía eléctrica. Su objetivo es demostrar que conocemos y somos capaces de controlar el comportamiento de las partículas confinadas. Es el paso intermedio, experimental, clave entre las máquinas de investigación de fusión actuales y las centrales de fusión del futuro.

También servirá para desarrollar todo el conjunto de tecnologías complementarias necesarias para la gestión de una futura planta de producción de energía eléctrica basada en las reacciones de fusión. Por ejemplo, la manipulación remota de componentes no accesibles, los sistemas de calentamiento que son necesarios para «iniciar» las reacciones de fusión, los sensores y sistemas de diagnosis para controlar el dispositivo, etc.

Después de ITER, está previsto construir un dispositivo más, un reactor de demostración (DEMO), capaz de producir electricidad de forma casi continua.

En DEMO podrá probarse el ciclo completo de la producción de energía a partir de las reacciones de fusión en su integridad. Actualmente ya se está trabajando en el diseño y se espera el inicio de su construcción en la década de los años 1940.

¿Con qué material construimos DEMO?

Sin embargo, el salto tecnológico entre ITER y DEMO es demasiado grande en algunos aspectos y para poder construir DEMO es necesario desarrollar algunas tecnologías que no pueden validarse en ITER y que a día de hoy ni siquiera existen.

Una de ellas tiene que ver con conocer cómo van a comportarse los materiales que deberán utilizarse para la construcción de DEMO, especialmente aquellos más cercanos a la zona en la que tienen lugar las reacciones de fusión. Estos materiales van a interactuar con los neutrones producidos. Los neutrones tienen una función esencial: son los encargados de transportar la energía producida en la reacción hacia el exterior, para poder transformarla en electricidad.

La interacción con los neutrones, a largo plazo, modifica los materiales del reactor y su comportamiento, pero a día de hoy no sabemos cómo, de qué modo se verán afectados. Y es algo que tenemos que saber en detalle.

Para probarlo, hay que desarrollar tecnologías que no existen. No existe hoy en día un lugar que disponga de neutrones parecidos a los producidos en una reacción de fusión en número suficiente, así que no es posible estudiar el comportamiento de los materiales en esas condiciones. Necesitamos construir una instalación totalmente novedosa, singular, en la que desarrollar experimentos que nos permitan conocer el comportamiento de los materiales que serán utilizados en DEMO y en los futuros reactores de fusión.

Un deuterón sobre un blanco de litio

Para poder realizar esos experimentos, primero tenemos que producir neutrones parecidos a los que estarán presentes en un dispositivo de fusión. Para ello utilizamos las reacciones entre un deuterón incidiendo sobre un blanco de litio.

Para que los neutrones producidos en este proceso sean similares a los producidos en las reacciones de fusión, la energía de los deuterones tiene que ser del orden de 40 MeV.

Esta idea dio lugar en los años 1990 a la propuesta del llamado proyecto IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility). El proyecto IFMIF-DONES, la instalación que se va a construir en Granada, es una evolución de este proyecto original.

Acelerar deuterones a esas energías es relativamente sencillo. Sin embargo, para poder producir suficientes neutrones en un periodo razonable de tiempo se requiere que el número de deuterones acelerado sea muy alto, y esto lleva la tecnología de aceleradores de partículas muy cerca de lo que es tecnológicamente posible.

Solo recientemente, y en el marco del proyecto IFMIF/EVEDA incluido en una colaboración euro-japonesa en la que participa España de forma muy significativa, se ha podido desarrollar la tecnología necesaria para construir máquinas capaces de acelerar una corriente muy alta de deuterones (en este caso hasta 125 mA).

Está previsto que IFMIF-DONES se construya en Granada

Así, IFMIF-DONES es un acelerador de deuterones hasta una energía de 40 MeV y unos 125 mA, que inciden en un blanco de litio y generan un campo de radiación similar al que habría en un reactor de fusión en un volumen reducido (unos pocos litros). Ahí es donde se colocan los materiales que queremos estudiar.

El acelerador es único en el mundo sobre todo por la alta potencia (5 MW), la alta corriente de partículas y los requisitos de disponibilidad y operación continua. El blanco es también único en el mundo sobre todo por la alta potencia depositada y por los requisitos de estabilidad fluodinámica, disponibilidad y operación continua.

La construcción y operación de esta instalación requiere el desarrollo de nuevas tecnologías en áreas tan dispares como tecnología de aceleradores, sistemas de radiofrecuencia, mecatrónica y métodos especiales de fabricación de componentes, sistemas de control electrónico, metales líquidos, manipulación remota y robótica.

España, con la coordinación del CIEMAT, ha liderado en los últimos años las actividades ligadas al diseño de esta instalación incluyendo la construcción de prototipos muy relevantes que han demostrado y están demostrando que es posible construir esta instalación pionera.

La experiencia abrirá el camino a futuras instalaciones científicas que seguirán ampliando los flexibles límites del conocimiento humano.