Fusión nuclear: la física, las máquinas y la brecha de ingeniería
La fusión es la reacción que alimenta a todas las estrellas y la única fuente de energía que lleva setenta años estando a veinte años de distancia y, a la vez, está más cerca que nunca. Ambas cosas son ciertas, y la razón tiene menos que ver con la física de la reacción que con la ciencia de materiales y el suministro de tritio.
Por qué la fusión libera energía
Todo núcleo atómico ocupa un lugar en la curva de energía de enlace por nucleón. El hierro está en su punto más bajo, el lugar más estable. Los núcleos más ligeros que el hierro pueden liberar energía fusionándose; los más pesados, escindiéndose. Esa única curva explica por qué la fisión nuclear funciona con uranio y la fusión con hidrógeno, y por qué con el hierro no funciona nada.
La reacción más fácil de lograr en la Tierra combina deuterio y tritio, dos isótopos pesados del hidrógeno. Producen un núcleo de helio y un neutrón rápido, y los productos pesan juntos un 0,4 por ciento menos que los reactivos. Multiplicada esa fracción por el cuadrado de la velocidad de la luz, un gramo de combustible lleva aproximadamente la energía de ocho toneladas de petróleo.
El obstáculo es electrostático. Ambos núcleos tienen carga positiva y se repelen, y la repulsión crece bruscamente al acercarse. Vencerla exige unos 100 millones de grados, casi diez veces el centro del Sol, porque el Sol compensa con una presión gravitatoria que ninguna máquina alcanza y se toma miles de millones de años para quemar su combustible. Una central eléctrica no dispone de ese tiempo.
Dos maneras de sostener un plasma
A esas temperaturas la materia es un plasma: núcleos y electrones se mueven por separado, y ningún recipiente material puede tocarlo sin destruirse y enfriar el plasma al instante. Existen dos estrategias, y difieren en cuánto tiempo deben funcionar.
El confinamiento magnético aprovecha que las partículas cargadas describen espirales a lo largo de las líneas de campo magnético. Un tokamak curva esas líneas en un toro para que las partículas circulen sin tocar la pared. ITER, en construcción en el sur de Francia como colaboración de 35 países, es el mayor ejemplo: una máquina de 23.000 toneladas diseñada para producir 500 megavatios de potencia de fusión a partir de 50 megavatios de calentamiento. Los estelaradores, como Wendelstein 7-X en Alemania, logran el mismo retorcimiento con bobinas de forma intrincada en lugar de una corriente de plasma: más difíciles de construir, más fáciles de operar de forma continua.
El confinamiento inercial hace lo contrario: comprime una cápsula de combustible con tal violencia que se fusiona antes de tener tiempo de dispersarse. La National Ignition Facility, en California, enfoca 192 haces láser sobre una cápsula de pocos milímetros, y todo el suceso dura nanosegundos. La técnica se desarrolló tanto para física de armas como para energía, lo que condiciona para qué está optimizada la instalación.
Ninguna de las dos vías es secundaria. Ambas acumulan décadas de trabajo, y sus problemas de ingeniería difieren lo bastante como para que siga sin estar claro cuál llegará antes a una central.
Qué ocurrió en diciembre de 2022
El 5 de diciembre de 2022 la NIF entregó 2,05 megajulios de energía láser a una cápsula de combustible, y la cápsula liberó 3,15. Por primera vez una reacción de fusión en laboratorio devolvió más de lo que se le había entregado en esa frontera. El resultado es real y se repitió en disparos posteriores con rendimientos mayores.
La frontera importa. Los propios láseres extrajeron varios centenares de megajulios de la red para entregar esos 2,05, porque los láseres de vidrio bombeados por lámpara de destello son ineficientes por diseño: la NIF se construyó para precisión, no para economía. Contado desde el enchufe, el disparo consumió del orden de cien veces más energía de la que liberó.
No es una objeción al resultado; es exactamente lo que el resultado estaba diseñado para medir. El umbral científico y el umbral de ingeniería son distintos, y el campo siempre los ha diferenciado. El disparo de 2022 cruzó el primero. Ninguna máquina ha cruzado todavía el segundo.
Lo que queda por resolver
El tritio es lo primero. Su semivida ronda los doce años, así que no existe en la naturaleza en cantidades útiles, y las reservas civiles mundiales suman unas pocas decenas de kilogramos, en su mayoría subproducto de reactores canadienses de agua pesada. Una central de fusión debe criar su propio tritio capturando sus neutrones en un manto de litio. La química funciona en principio y nunca se ha demostrado a escala de central en un ciclo cerrado.
Los materiales son lo segundo. Los neutrones que transportan la mayor parte de la energía son mucho más energéticos que los de un reactor de fisión y desplazan átomos en el acero estructural que atraviesan. Con los años de operación eso hincha y fragiliza la vasija. Existen aleaciones candidatas; la instalación capaz de ensayarlas en condiciones representativas aún se está construyendo.
La continuidad es lo tercero. El plasma de un tokamak suele ser pulsado y una instalación láser dispara unas pocas veces al día, mientras que una central debe funcionar durante meses. Cerrar la distancia entre un experimento de física y una máquina que costea su propio mantenimiento es donde está la mayor parte del trabajo restante, y es la misma distinción que separa un resultado de laboratorio de un producto en cualquier tecnología energética, incluidas las que siguen en investigación.
Desde alrededor de 2020 han entrado en el campo numerosas empresas privadas que persiguen máquinas más pequeñas con imanes superconductores de alta temperatura que no existían cuando se diseñó ITER. Si eso acorta los plazos es una cuestión abierta, no resuelta.
Preguntas frecuentes
¿La fusión es lo mismo que la reacción de una central nuclear actual?
No. Las centrales actuales usan fisión, que escinde núcleos pesados como el uranio-235. La fusión une núcleos ligeros. Están en lados opuestos de la curva de energía de enlace, emplean combustibles distintos y generan residuos distintos: la fusión no deja productos de fisión de vida larga, aunque la estructura del reactor sí se activa por los neutrones.
¿Se logró ganancia neta de energía en 2022?
En la cápsula de combustible sí: 3,15 megajulios de salida frente a 2,05 de entrada. Medido desde la red eléctrica no: los láseres consumieron unas cien veces lo que la reacción liberó. Ambas cifras son correctas; miden fronteras distintas, y la distinción es habitual en el campo.
¿Por qué la fusión necesita más temperatura que el núcleo del Sol?
El Sol confina su plasma con una presión gravitatoria inmensa y no tiene prisa: un protón puede esperar miles de millones de años a reaccionar. Una central necesita las reacciones ahora, a presiones que una máquina pueda producir, y lo compensa con temperatura: unos 100 millones de grados frente a los 15 millones del Sol.
¿La fusión es radiactiva?
El ciclo del combustible incluye tritio, radiactivo pero de vida corta y baja energía. La reacción no produce productos de fisión de vida larga. La estructura del reactor sí se vuelve radiactiva por activación neutrónica, y gestionarla forma parte del diseño: los plazos suelen ser de décadas, no de los milenios asociados a los residuos de fisión.
¿Cuándo suministrará electricidad la fusión?
ITER está diseñado para demostrar la física a escala de central, no para generar electricidad; después vendría una planta de demostración. Las hojas de ruta nacionales publicadas apuntan a la segunda mitad de este siglo, y varias empresas privadas apuntan a la década de 2030. Son objetivos, no calendarios, y las cuestiones del tritio y los materiales son la razón.
