Un reactor de plasma es capaz de reproducir las reacciones físicas que ocurren en el Sol y otras estrellas y utilizar el potencial de la fusión nuclear como fuente de energía ilimitada, limpia (no produce desechos radiactivos) y que no precisa un combustible no renovable como el uranio. Desafortunadamente, todavía existen grandes trabas para controlar esas reacciones.

En el proceso de fusión nuclear dos núcleos atómicos ligeros se combinan para formar un solo núcleo más pesado y se emiten al mismo tiempo enormes cantidades de energía. Para poder fusionarse en nuestro Sol, estos núcleos necesitan colisionar unos contra otros a temperaturas altísimas (de más de 10 millones de grados Celsius), lo que es posible gracias a la inmensa gravedad del astro, explica el ‘Organismo Internacional de Energía Atómica (IAEA)’.

Para lograr en la Tierra el efecto que la enorme fuerza gravitatoria del Sol tiene sobre los núcleos (y que incrementa sus posibilidades de colisión), se precisan temperaturas superiores a los 100 millones de grados Celsius y una intensa presión para conseguir que el deuterio y el tritio (dos tipos de hidrógeno) se fusionen. De acuerdo con la IAEA, también se necesita “un confinamiento suficiente para retener el plasma y mantener una reacción de fusión durante un lapso lo suficientemente prolongado como para obtener una ganancia de potencia neta”.

Pese a que los experimentos han logrado recrear condiciones que dan pie a la fusión nuclear, aún es necesario trabajar en mejorar las propiedades de confinamiento y la estabilidad del plasma resultante. Cualquier contacto del plasma con la pared del reactor hace que se apague instantáneamente sin causar daños graves a la pared. Esta característica los hace muy seguros, pero al mismo tiempo se ha convertido en el principal obstáculo para el desarrollo de este tipo de energía, porque el plasma caliente enrarecido es extremadamente difícil de mantener bajo control. Científicos e ingenieros continúan buscando nuevos materiales y tecnologías con miras a lograr una energía de fusión estable.

Actualmente se han desarrollado dos métodos para que la fusión se produzca. El tradicional, denominado confinamiento magnético, se lleva a cabo en reactores de tipo tokamak (acrónimo ruso de ‘cámara toroidal con bobinas magnéticas’), que utilizan imanes para presionar el plasma de las paredes de su contenedor, de modo que se pueda calentar a altas temperaturas por métodos externos. Por desgracia, este todavía tiene sus inconvenientes, pues la corriente eléctrica afecta el plasma y empeora su estabilidad.

Por otro lado, está el confinamiento inercial, proceso que utiliza potentes láseres para calentar y presurizar un material, y que hacen que los gránulos de combustible finalmente exploten. De este modo, y según los cálculos, este enfoque puede reducir los costos de energía exponencialmente en comparación con el calentamiento en reactores tokamak. No obstante, este método presenta un problema relacionado con las pérdidas tangibles de energía durante la operación del reactor. Cuando el proceso se acerca a la rentabilidad energética —cuando se obtiene más energía que la invertida para desencadenar la fusión— la reacción se vuelve inestable.

Hasta el momento el mayor reto es producir más energía de la que se ha invertido para que la reacción funcione y que esta se mantenga en el tiempo.

Durante las últimas décadas se han logrado grandes avances en el control de las reacciones de fusión. En los años 60 del siglo pasado, los científicos soñaban con mantener el plasma durante al menos unos segundos, unas cifras que ahora se han multiplicado, tal como demostró China el mes pasado. Mientras tanto, el megaproyecto ‘Reactor Experimental Internacional Tokamak (ITER)’ que se construye cerca del Centro de Estudios Nucleares de Cadarache, en el sur de Francia, ya está en un 75,8 % terminado y planea demostrar que la rentabilidad energética sí es posible.

De momento, el reactor de fusión más ‘eficiente’ es el de la instalación ‘NIF (National Ignition Facility) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore’, en California, EE.UU. Los investigadores dieron recientemente un paso histórico al lograr con este reactor de confinamiento inercial “la ignición y la producción de energía autosostenible” tras obtener “plasma ardiente”, según un estudio publicado esta semana. El rendimiento generado en estos experimentos triplica el obtenido en ensayos anteriores.

De cualquier modo, los reactores de fusión de todo tipo tienen otro problema. El tritio que requieren para funcionar se obtiene principalmente de manera artificial irradiando litio con neutrones en reactores nucleares. Se estima que cada gigavatio de energía de fusión generada requeriría de 56 kilogramos de ese isótopo al año, lo que tendría un costo altísimo si se tiene en cuenta que un kilogramo cuesta alrededor de 30 millones de dólares y solo se producen varios kilogramos al año en todo el mundo.

Para sortear esta eventualidad, los científicos proponen multiplicar el tritio directamente en los reactores termonucleares, al igual que lo hacen en los reactores atómicos. Los neutrones que se forman como resultado de la fusión reaccionan con el litio en la cubierta de la cámara del reactor y lo convierten en tritio. Esta opción se probará en el ITER y, por tanto, todavía no hay certeza de que funcione según lo previsto.

Todas estas situaciones llevan a algunas personas a creer que la fusión controlada no es más que una quimera que podría perseguirse indefinidamente. Al respecto, Elon Musk comentó el año pasado que la fusión termonuclear no es necesaria y que es más razonable mejorar las plantas de energía nuclear y construir tantas como sea posible, informó ‘CNBC’.

En la actualidad, el problema de la radiotoxicidad de los desechos nucleares puede controlarse por completo mediante reactores de neutrones rápidos, aunque eso no exime a la energía nuclear de accidentes y no la hace conveniente para la futura expansión espacial, ya que esos vuelos requerirían toneladas de uranio. En este contexto, las centrales termonucleares parecen una fuente de energía para el futuro, ya que es potente, respetuosa con el medioambiente, segura y prácticamente inagotable.

El proyectado reactor de plasma del ITER, de 23.000 toneladas, corresponde a la máquina más compleja jamás ideada, y será albergada en un edificio de 60 metros de altura. Recientemente se reportó la firma de un contrato para que un consorcio internacional construya el tokamak del ITER, una cámara de forma semejante a la de un anillo donde se llevará a cabo la generación de energía.

Dentro del tokamak se pretende aprovechar la energía liberada durante la creación de átomos pesados a partir de otros más livianos, en lo que se conoce como fusión nuclear. La reacción se produce a unos 150 millones de grados centígrados, temperatura mayor a la del núcleo solar y superior a la que puede resistir cualquier material conocido en la Tierra. Llevar a cabo la fusión, por lo tanto, requiere de métodos y tecnologías ingenieriles de vanguardia, ya que se necesita generar poderosos campos magnéticos para contener el plasma donde se realiza la reacción sin que toque ningún componente del reactor.

Este proceso, que emula la forma en que el Sol produce su energía, ha demostrado ser una tarea en extremo complicada y costosa, por lo que los investigadores no han logrado que los reactores de fusión nuclear sean capaces de producir más potencia térmica de la que consumen. Con el ITER, no obstante, se prevé romper esta barrera: su producción térmica se estima en los 500 megavatios (MW) con un consumo de cerca de 300 MW de electricidad, si bien no se pretende que su uso inmediato sea la producción de energía eléctrica.

El funcionamiento del reactor se tenía programado para el año pasado, pero demoras relacionadas con esta limitación han reprogramado su primera fusión nuclear para no antes del 2035, y con un costo cercano a los 24.000 millones de dólares.

Desarrollos paralelos reportados recientemente, como los británicos JET y STEP, implementan un enfoque similar para lograr avances en este ámbito experimental y podrían ver la luz para 2040. Sin embargo, otro proyecto promete llevar la fusión nuclear al ámbito comercial en un plazo y a un costo menor. Se trata de un tokamak compacto que se desarrolla en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), que utilizará nuevos imanes superconductores con los que se pretende contener el plasma de forma eficiente. El nuevo material, compuesto de óxidos de itrio, bario y cobre (YBCO), permitiría la generación de energía eléctrica suficiente para abastecer a ciudades pequeñas de forma rentable dentro de los próximos 15 años.

Con la intención de acelerar el proceso, que en el Sol tardó millones de años, de generar helio a partir del hidrógeno, se recurrió a dos tipos de hidrógeno pesado, como el deuterio y el tritio. Su combinación es la que produce helio y un neutrón energético.

Sin embargo, para que la fusión se produzca, es necesario alcanzar una temperatura de 100 millones de grados, algo a lo que los científicos lograron acercarse gracias al desarrollo de dos métodos. Uno de ellos es el confinamiento inercial, proceso que utiliza potentes láseres para calentar y presurizar un material y hacen que los gránulos de combustible finalmente exploten.

El otro procedimiento es el confinamiento magnético, que utiliza imanes para presionar el plasma de las paredes de su contenedor, de modo que se pueda calentar a altas temperaturas por métodos externos. Aunque obtener energía a partir de la fusión nuclear es un proceso que aún está en camino, lograrlo significaría alcanzar una fuente de energía inagotable y limpia.

Uno de los países que trabaja en este tipo de tecnología es China, que planea finalizar antes de fin de año el desarrollo de un sol artificial que tiene como objetivo generar energía renovable y casi infinita. Para ello, recurrirá a una fusión nuclear controlada, con la que intentará repetir el proceso que se da en estrellas como el Sol.

El proyecto, bautizado como HL-2M Tokamak, busca conseguir que la temperatura del plasma supere los 100 millones de grados. Por su parte, investigadores del alemán Instituto Max Planck de Física del Plasma lograron que su reactor estelar llevara la temperatura del plasma a 40 millones de grados.

Además, Europa y Japón construyen de manera conjunta el reactor Tokamak JT-60SA, que también buscará generar energía limpia y renovable pero enfrenta el reto de alcanzar los 100 millones de grados de temperatura.

Los ingenieros de PPPL y la Universidad de Princeton están desarrollando un ‘software’ denominado en inglés Fusion Recurrent Neural Network (FRNN) a partir de inteligencia artificial que consta de múltiples capas de redes neuronales interconectadas y análogas a las neuronas simples del cerebro.

Cada nodo en esa red identifica un aspecto básico de los datos que se introducen en el sistema y pasa los resultados a otros nodos que identifican aspectos cada vez más complejos de la información introducida. El proceso continúa hasta que se logra el resultado deseado.

Los físicos comenzaron a probar, de manera experimental, algunos tipos de novedosos reactores y encontraron que una extraña esfera puede ser la clave para generar más energía de fusión, ya que tiene el potencial para superar el dilema de producir más y consumir menos.

Su particularidad es que fusionaría hidrógeno y boro, en lugar de isótopos de hidrógeno como el deuterio y el tritio, y, además, utiliza láseres para calentar el núcleo hasta 200 veces más que en el centro del sol. Eso no es todo, sino que este dispositivo no produce neutrones, por lo que no crea ningún tipo de desecho radiactivo.

“Esto pone nuestro enfoque por encima de todas las demás tecnologías de energía de fusión”, destacó Heinrich Hora, de la universidad australiana de Nueva Gales del Sur, quien está a cargo del proyecto, reseñó ‘Science Alert’.

A diferencia de lo que sucede con las reacciones de energía de fisión nuclear, las de fusión combinan o fusionan los átomos en lugar de dividirlos. Se trata de una metodología similar a la que alimenta al sol.

“Los combustibles y los desperdicios son seguros”, insistió Warren McKenzie, director de HB 11, compañía que tiene la patente de la nueva tecnología. McKenzie agregó que el reactor no necesitará un “intercambiador de calor” ni un “generador de turbina de vapor”.

Por lo tanto, si nuevas investigaciones confirman que no hay otro dispositivo mejor para este tipo de desarrollos, el reactor prototipo podría estar construido en una década.