El sueño de conseguir un reactor de fusión nuclear o “sol artificial” (denominado así porque imita el proceso del Sol), que sea capaz de generar cantidades ingentes de energía limpia durante un tiempo prolongado sin generar residuos, es uno de los hitos más ambiciosos de la humanidad de este siglo. Por el momento, la carrera la está ganando China.
El sol artificial más avanzado de los que tiene en marcha el gigante asiático, ‘EAST’ ("Experimental Advanced Superconducting Tokamak") acaba de batir un récord histórico al estar activo casi siete minutos llegando a alcanzar temperaturas de más de 100 millones de grados Celsius: aproximadamente siete veces la temperatura del núcleo del Sol.
Fusión vs fisión nuclear: una diferencia determinante
Con esta última demostración, el reactor de fusión ‘EAST’, que se encuentra en la ciudad de Hefei (provincia china de Anhui) no solo ha batido sus hitos anteriores en apenas un año, sino que ha adelantado a otros proyectos similares como los que se están llevando a cabo en EEUU, Europa, Japón, Corea del Sur o Rusia.
Sin embargo, el mayor reto para el “sol artificial chino” y el resto de reactores experimentales sigue siendo lograr la fusión nuclear de forma controlada, estable y continua produciendo más energía de la que consume, lo que se denomina "breakeven" o punto de equilibrio.
En las estrellas como nuestro auténtico Sol, este proceso se da de forma natural gracias a las elevadísimas presiones y temperaturas que alcanzan los astros, pero reproducir el proceso de forma artificial y ser capaz de sostenerlo en el tiempo, es un proceso muy complejo y peligroso.
En este sentido, y aunque se está investigando con varios tipos de reactor, los más avanzados y extendidos (por ser también los más prometedores para crear un modelo escalable) son los del tipo “Tokamak” como el ‘EAST’, un término ruso que significa "cámara toroidal magnética".
En esencia en este tipo de reactor, mediante calor y presiones extremas, se produce el plasma. Este estado de la materia que se encuentra comúnmente en la naturaleza (fuego, rayos, auroras boreales, etc.) y es diferente a los otros tres -sólido, líquido y gas- porque no tiene forma ni volumen definido, y puede fluir y deformarse fácilmente.
Además, es altamente conductor y puede interactuar fuertemente con los campos magnéticos y eléctricos que lo rodean. En los reactores como el ‘EAST’, los núcleos de hidrógeno se fusionan para formar helio, liberando gran cantidad de energía en el proceso. Después, se utiliza un potente campo magnético para confinar el plasma de hidrógeno a altas temperaturas y así, generar más energía.
Esto es posible gracias a que, por lo general, un “Tokamak” es un anillo toroidal (en forma de rosquilla) que contiene el plasma de hidrógeno, que está rodeado por bobinas que generan un campo magnético toroidal y un campo magnético poloidal para confinar el plasma en la región central del anillo. El plasma se calienta y mantiene a altas temperaturas mediante el uso de corrientes eléctricas y ondas electromagnéticas.
Por eso este tipo de reactores se denominan “soles artificiales”, ya que imitan el proceso que sucede en el Sol de nuestra galaxia.
En su interior, los átomos de hidrógeno colisionan entre sí, se fusionan a altísimas temperaturas (unos 15 millones de grados centígrados) y están sometidos a enormes presiones gravitatorias. Así, cada segundo se fusionan 600 millones de toneladas de hidrógeno formando helio. Durante este proceso, parte de la masa de los átomos de hidrógeno se convierte en energía.
En la actualidad, la energía nuclear habitualmente se obtiene mediante el proceso contrario a la fusión nuclear: la fisión, por la que la energía se produce al dividir el núcleo de un átomo pesado en dos o más núcleos de átomos más ligeros. La fisión es mucho más fácil y barata de conseguir que la fusión nuclear, pero genera residuos altamente contaminantes.
Otros soles que ya están preparados para encenderse
Como ha asegurado uno de los responsables del proyecto ‘EAST’, Song Yuntao, con el último hito de su sol artificial (que se ha conseguido tras más de 120.000 pruebas) “se ha aumentado significativamente la temperatura y la densidad del plasma”, lo que se traduce en una base sólida “para mejorar la viabilidad técnica y económica de los reactores de fusión”.
Esto es muy positivo en términos generales para la física, sobre todo en el campo de los plasmas de fusión. Sin embargo, el reactor experimental chino aún está muy lejos de su forma definitiva y comercial, capaz de aportar energía a la red eléctrica.
Según explicaba en una entrevista el subdirector general del Laboratorio Nacional de Fusión del Ciemat, Carlos Hidalgo los datos del ‘EAST’ son muy interesantes, pero aún queda mucho trabajo por delante si queremos “acercarnos a los parámetros de densidad, temperatura y tiempo de confinamiento necesarios en un reactor de fusión”.
En esa búsqueda están otros reactores “Tokamak” como el prototipo europeo ‘JET’ (Join European Torus), que en febrero del año pasado consiguió generar 59 megajulios durante 5 segundos.
Poco después, el reactor del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (California, EE. UU.) anunció haber logrado por primera vez crear más energía que la necesaria para desencadenar la reacción, un hito que se buscaba desde la década de 1960.
Otro proyecto de “sol artificial” tipo “Tokamak” muy avanzado es ‘ITER’ (siglas en inglés de Reactor Termonuclear Experimental Internacional), un proyecto de colaboración internacional en el que participan 35 países (incluyendo los miembros de la Unión Europea, Estados Unidos, China, Rusia, India, Japón o Corea del Sur, entre otros) que lleva en marcha más de una década.
Aunque aún está en construcción, ‘ITER’ es mucho más grande y complejo que ‘EAST’, y tiene como objetivo demostrar la viabilidad técnica y económica de la generación de energía de fusión nuclear a gran escala. En este sentido es más parecido a otro reactor más actual de China: ‘CFETR’, o “Reactor de Prueba de Ingeniería de Fusión de China”, que se prevé terminado para 2035.
Los primeros test de ‘ITER’ en sus instalaciones de Cadarache (Francia) están previstos a partir de 2026 y son de lo más ambiciosos: en las primeras pruebas se pretenden alcanzar los 500 segundos de trabajo a máxima potencia (algo más de 8 minutos) y los 1.500 a media potencia (25 minutos), en ambos casos con temperaturas superiores a los 100 millones de grados Celsius y con ganancia energética.
Este tipo de investigaciones suponen un esfuerzo económico importante: se dice que ‘EAST’ ha podido costar el equivalente a más de 500 millones euros (pero más allá de los rumores, el dato real es confidencial), y se espera que ‘ITER’ alcance un coste total de unos 22.000 millones de euros.
Además, también presentan desafíos importantes como su complejidad técnica y científica de la construcción y operación de los reactores de fusión nuclear.
Pero también son poderosos laboratorios de pruebas en pro de conseguir los procesos que nos acerquen a una fuente de energía limpia y sostenible casi ilimitada de cara al futuro.
A diferencia de lo que sucede con la fisión nuclear, que hemos de recordar es el proceso que se utiliza en la mayoría de las centrales nucleares actuales, la fusión no produce emisiones de gases de efecto invernadero.
Y es que el principal producto de las reacciones en este caso es el helio, que es inocuo. Tampoco genera residuos radioactivos de larga duración y la reacción es más segura, pues se extingue o para por sí misma si algo va mal.
Quedan muchos obstáculos técnicos y científicos por superar antes de que los reactores de fusión nuclear se conviertan en una fuente de energía comercial viable.
Pero de lograrlo, la energía que estos “soles artificiales” generan, podrá ser utilizada en un futuro no ya tan lejano para generar electricidad de manera similar a la energía producida por combustibles fósiles, pero eliminando de la ecuación los principales efectos negativos de estos en el medio ambiente.