En competencia los resultados de aplicación de dos técnicas diferentes para logra la "fusión nuclear": en Estados Unidos, una segunda prueba, lograr mayor producción de energía que la inicial realizada en el mes de diciembre del 2022; y por otro lado, el avance del proyecto internacional (ITER) en Francia.
Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California (LLNL) lograron el 5 de diciembre del 2022, por primera vez y brevemente, una ganancia neta de energía en un experimento de fusión con láser, informó el Departamento de Energía estadunidense. Ese día los científicos enfocaron un láser sobre un objetivo de combustible para fusionar dos átomos ligeros en uno más denso, liberando energía.
Instalación del proyecto internacional ITER, desarrollado en Francia. Fotografía tomada de Foro Nuclear.
Los científicos saben desde hace un siglo que la fusión es la energía del Sol y llevan décadas intentando desarrollarla en la Tierra. Sin que a la fecha haya avances efectivos en lograr la "fusión nuclear", convertida en especulación teórica, ante la falta de herramientas tecnológicas que permitan hacerla una realidad, equiparable al logro obtenido con la "fisión nuclear".
Fue Andrew Sowder, alto ejecutivo de tecnología del "Electric Power Research Institute" (EPRI), un grupo de investigación y desarrollo de energía sin ánimo de lucro, quién indicó: “Es el primer paso que dice: ‘sí, esto no es sólo fantasía, esto se puede hacer, en teoría’”.
Kimberly Budil, directora del citado laboratorio, señaló en una rueda de prensa, en un acto patrocinado por el Departamento de Energía: "Los obstáculos científicos y tecnológicos hacen que la comercialización no esté probablemente hasta dentro de cinco o seis décadas, sino mucho antes. Con esfuerzo e inversión concertados, unas décadas de investigación sobre las tecnologías subyacentes podrían ponernos en condiciones de construir una central eléctrica”.
Científicos nucleares ajenos al laboratorio afirmaron que el logro supone un gran paso adelante, pero que aún queda mucho por experimentar antes de que la fusión sea comercialmente viable.
Tony Roulstone, experto en energía nuclear de la Universidad de Cambridge, comentó: "Estimo, en primer lugar, que la energía producida por el experimento fue sólo el 0.5% de la necesaria para encender los láseres. Por tanto, podemos decir que este resultado (...) es un éxito de la ciencia, pero todavía muy lejos de proporcionar energía útil, abundante y limpia”.
Si bien, la industria eléctrica acogió con cautela el paso, aunque se subrayó que, para llevar a cabo la transición energética, la fusión no debe frenar los esfuerzos en la construcción de otras alternativas como la energía solar y eólica, el almacenamiento en baterías y la fisión nuclear.
La secretaria de Energía estadunidense, Jennifer Granholm, en una rueda de prensa, entusiasmada comentó: "Este hallazgo se verá "en los libros de historia".
Fue la propia directora del laboratorio Kimberly Budil, quien realizó importantes aclaraciones: "Los desafíos son tecnológicos, puesto que hay que poder repetir el experimento muchas veces por minuto; todavía queda un largo camino por recorrer antes de que la fusión sea viable a escala industrial y comercial. Hay otros proyectos de fusión nuclear en el mundo, como el llamado (ITER), que actualmente se está desarrollando en Francia. Ahí, en lugar de láseres, (ITER) utilizará una técnica conocida como confinamiento magnético: los átomos de hidrógeno se calientan en un inmenso reactor, donde permanecerán confinados con la ayuda de un campo magnético.
La buena noticia es que los científicos coinciden plenamente en señalar que el avance en el uso de la energía de fusión que, si logra dar el salto de los laboratorios a la generación comercial de electricidad en las próximas décadas, podría contribuir a la lucha para frenar el "Cambio Climático". Lo que resulta muy urgente, sobre todo después de observar la realidad que se vive en el hemisferio norte durante el verano del año 2023, al que el secretario general de la Organización de las Naciones Unidas le califica como: "Ebullición Global".
Pero el asunto se puede ver a detalle y considerar el aporte de muchos científicos a lo largo de estos últimos ciento veinte años, que establecen los limitantes al proyecto "fusión nuclear".
La energía nuclear es la energía contenida en el núcleo de un átomo. Los átomos son las partículas más pequeñas en que se puede dividirse un elemento químico manteniendo sus propiedades. En el núcleo de cada átomo hay dos tipos de partículas, los neutrones y los protones, mismas que se mantienen unidas, debido a la existencia de la energía nuclear, que hace de agente regulador, existen dos fuerzas nucleares.
La fuerza nuclear fuerte es la fuerza fundamental más fuerte y es la interacción atractiva que une los núcleos atómicos, superando la repulsión de carga de los protones.
La fuerza nuclear débil impulsa importantes interacciones atómicas, como la desintegración radiactiva.
Se descubrió que la energía nuclear se puede utilizar para producir electricidad, pero, primero la energía debe ser liberada.
Ésta energía nuclear se puede liberar de dos formas: por fusión nuclear o por fisión nuclear.
En la fusión nuclear, la energía se libera cuando los núcleos de los átomos se combinan o se fusionan entre sí para formar un núcleo más grande. La fuerza nuclear fuerte permite mantener pegados los componentes del núcleo del átomo, protones y neutrones, y a nivel más elemental, sus partículas constituyentes: los quarks; esta una fuerza muy importante en el Universo.
En la fisión nuclear, los núcleos se separan para formar núcleos más pequeños, liberando energía. La fuerza nuclear débil es la responsable de la desintegración radiactiva de las partículas subatómicas y es la iniciadora del proceso conocido como fisión nuclear.
Las centrales nucleares utilizan la fisión nuclear para producir electricidad.
Cuando se produce una de estas dos reacciones nucleares, la fisión nuclear o la fusión nuclear, los átomos experimentan una ligera pérdida de masa. Esta masa que se pierde se convierte en una gran cantidad de energía calorífica y de radiación, como descubrió Albert Einstein (1879 - 1955) con su famosa ecuación E=mc². La energía calorífica producida se utiliza para producir vapor y generar electricidad. Aunque la producción de energía eléctrica es la utilidad más habitual que se le da a la energía nuclear, también se puede aplicar en muchos otros sectores, como en aplicaciones médicas o medioambientales.
Fisión nuclear de un átomo de uranio-235. Tomada de Wikipedia, dominio público.
La "fisión nuclear" de los elementos pesados fue descubierta el 17 de diciembre de 1938 por el alemán Otto Hahn (1879 - 1968), y su ayudante Friedrich Wilhelm "Fritz" Strassmann (1902 - 1980), en un trabajo realizado a propuesta de la física Lise Meitner (1878 - 1968), quién la explicó teóricamente en enero de 1939 junto con su sobrino Otto Robert Frisch (1904 - 1979), ellos dos habían interpretado correctamente el resultado de un experimento en el que se había detectado "bario" después de bombardear "Uranio" con neutrones; y Otto Robert Frisch dio nombre al proceso por analogía con la "fisión binaria" de las células vivas.
En 1944, Otto Hahn recibió el Premio Nobel de Química, por el descubrimiento de la "fisión nuclear", sin embargo, se ha documentado la historia de su descubrimiento y se cree que Lise Meitner debió también ser premiada junto a Hahn.
La fisión nuclear es la reacción en la que el núcleo de un átomo pesado, al capturar un neutrón incidente, se divide en dos o más núcleos de átomos más ligeros, llamados productos de fisión, emitiendo en el proceso neutrones, rayos gamma y grandes cantidades de energía.
El núcleo que captura el neutrón incidente se vuelve inestable y, como consecuencia, se produce su escisión en fragmentos más ligeros dando lugar a una situación de mayor estabilidad. Además de estos productos, en la reacción de fisión se producen varios neutrones que al incidir sobre otros núcleos fisionables desencadenan más reacciones de fisión que a su vez generan más neutrones. Este efecto multiplicador se conoce como reacción en cadena.
Para que se produzca una reacción de fisión en cadena es necesario que se cumplan ciertas condiciones de geometría del material fisionable y se supere un umbral determinado de cantidad del mismo, conocido como masa crítica. La fisión puede llegar a producirse de forma espontánea, pero es necesaria la existencia de un neutrón que incida con la energía adecuada.
Fusión nuclear de "deuterio" con "tritio", por la cual se produce "helio 4", se liberan un"neutrón" y se generan 17.59 Mega-electronvoltio (MeV) de energía, como cantidad de masa apropiada
convertida de la "Energia Cinética" de los productos, según la fórmula E = Δm c2.
Ilustración tomada de wikis, dominio público, D-t-fusion.
La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado, generalmente liberando partículas en el proceso. Estas reacciones pueden absorber o liberar energía, según si la masa de los núcleos es mayor o menor que la del hierro, respectivamente.
Un ejemplo de reacciones de fusión son las que tienen lugar en el sol, en las que se produce la fusión de núcleos de hidrógeno para formar helio, liberando en el proceso una gran cantidad de energía en forma de radiación electromagnética, que alcanza la superficie terrestre y que percibimos como luz y calor.
Para que tenga lugar una reacción de fusión, es necesario alcanzar altas cotas de energía que permitan que los núcleos se aproximen a distancias muy cortas en las que la fuerza de atracción nuclear supere las fuerzas de repulsión electrostática. Para ello, se deben cumplir los siguientes requisitos: Para lograr la energía necesaria se pueden utilizar aceleradores de partículas o recurrir al calentamiento a temperaturas muy elevadas. Esta última solución se denomina fusión térmica y consiste en calentar los átomos hasta lograr una masa gaseosa denominada plasma, compuesta por electrones libres y átomos altamente ionizados. Asimismo, es necesario garantizar el confinamiento y control del plasma a altas temperaturas en la cavidad de un reactor de fusión el tiempo necesario para que se produzca la reacción. También es necesario lograr una densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan dar lugar a las reacciones de fusión.
Sin embargo, los confinamientos convencionales, como las paredes de una vasija, no son factibles debido a las altas temperaturas. Por este motivo, se encuentran en desarrollo dos métodos de confinamiento:
Fusión por Confinamiento Inercial (FCI): Consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí. Para ello se impacta una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio por un haz de láser provocando su implosión. Así, se hace cientos de veces más densa que en su estado sólido normal permitiendo que se produzca la reacción de fusión. Actualmente hay reactores de investigación con el objetivo de producir energía a través de este proceso.
Fusión por Confinamiento Magnético (FCM): Las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético. El dispositivo más desarrollado tiene forma toroidal y se denomina Tokamak.
Las reacciones de fusión producen una cantidad de energía muy elevada —cuatro veces superior a la de las reacciones de fisión nuclear— y pueden ser la base de los futuros reactores de fusión.
Como anteriormente señaló la directora del (LLNL), actualmente se realizan diversos trabajos para lograr que la fusión nuclear sea un proceso utilizado cotidianamente, pero, llama la atención un trabajo de colaboración internacional llamado (ITER).
Rusia envió a Francia el imán destinado al programa de fusión nuclear ITER.
Rusia envió uno de los seis imanes gigantes necesarios para el programa de fusión nuclear "International Thermonuclear Experimental Reactor" (ITER) o "Reactor Termonuclear Experimental Internacional", instalado en Francia, uno de los últimos proyectos científicos internacionales en los que participa Moscú, a pesar del conflicto con Ucrania.
La bobina de campo poloidal es una de las seis que requiere el equipamiento. Tiene forma de dona, mide 9 metros de ancho y pesa 200 toneladas. Fotografía Afp
El barco que transportaba el imán de fabricación rusa, o “bobina de campo poloidal”, partió de San Petersburgo el martes primero de noviembre de 2022, llevaba la enorme bobina de nueve metros de ancho, que pesa doscientas toneladas, la que había sido bien envuelta para soportar un viaje de dos semanas al puerto de Marsella, en el sur de Francia.
El imán en forma de anillo, construido bajo la supervisión de la agencia atómica rusa Rosatom, constituirá la parte superior del “tokamak” más grande del mundo, que es un aparato cuyo objetivo es obtener la fusión de partículas de "plasma", lo que generaría grandes cantidades de energía, para así conseguir la reacción nuclear de "fusión" de dos partículas ligeras en una partícula más estable de peso medio y producir una energía en relación con la equivalencia de Einstein, aquella que equipara la energía y la materia, afectada esta ultima por el cuadrado de la velocidad de la luz.
Las ventajas de la "fusión" sobre la "fisión", que se el método que se utiliza hoy en las centrales nucleares, son que:
a) no produce desechos radiactivos directos y
b) no precisa de un combustible no renovable y tan escaso como el uranio.
En cambio, es mucho más difícil de iniciar, hasta la fecha no se ha alcanzado el punto de equilibrio entre la energía que se necesita para acelerar y confinar el plasma y la que se obtiene con la fusión de algunas partículas, Sin embargo, no hay razones teóricas para ello, sino sólo razones técnicas, que el proyecto internacional (ITER) trata de resolver.
El nombre "tokamak" es acrónimo en ruso "тороидальная камера с магнитными катушками" o "toroidal'naya kameras magnitnymi katushkami" y en idioma español "Cámara Toroidal con Bobinas Magnéticas" es un dispositivo de fusión magnética construido en Francia siguiendo el principio que alimenta al Sol y las estrellas, este ingenio fue ideado en los años de la década de los cincuenta del siglo Veinte, por los físicos soviéticos Ígor Tamm (1895 - 1971), ganador en 1958 del Premio Nobel de Física, y, Andréi Sájarov (1921 -1989), ganador del Premio Nobel de la Paz en 1975, basándose en las ideas propuestas por el doctor Oleg Lavrentiev (1926 - 2011), en 1950.
La pieza rusa estaba destinada a partir en mayo, pero las sanciones que prohibían que los barcos rusos atracaran en Europa retrasaron la salida.
Aún así, “la situación actual no cambia el hecho de que cumpliremos con nuestras obligaciones”, señaló Viacheslav Perchukov, representante de Rosatom para proyectos internacionales. Las tensiones geopolíticas “prácticamente no afectaron la realización del proyecto”, agregó.
“Sin (la bobina rusa), el tokamak no funcionará”, explicó a la agencia (Afp), Leonid Khimchenko, científico principal del centro ITER., quién elogió un logro “único”: "De más de ocho años de preparación. Este es un proyecto tan interesante que, de hecho, todos somos una familia… no hay competencia entre nosotros, nada”.
En el sur de Francia, treinta y cinco naciones colaboran para construir el dispositivo de fusión nuclear más grande del mundo.
El proyecto se puso en marcha después de una cumbre de 1985 entre el presidente estadunidense Ronald Reagan y el líder ruso Mijail Gorbachov.
Andrey Mednikov, científico a cargo de la producción de la bobina de campo poloidal, elogió la continua cooperación internacional, y precisó: "Si esta cooperación se detuviera, todos perderían: tanto Rusia como la comunidad internacional”.
El complejo del ITER en el sur de Francia cuenta con el apoyo de un consorcio de gobiernos mundiales, incluidos los estados miembros de la Unión Europea, Estados Unidos, China y Rusia; es un experimento científico a gran escala que intenta producir un plasma de fusión que tenga diez veces más potencia térmica que la potencia necesaria para calentar el plasma. Como sistema de reactor, el (ITER) será equivalente a un reactor de potencia cero
Se espera que sea el último paso para demostrar que la fusión nuclear puede convertirse en una fuente de energía confiable en la segunda mitad de este siglo, lo que tiene ventajas, pues operar las centrales eléctricas del futuro basadas en la fusión no produciría gases de efecto invernadero y, además, genera cantidades muy pequeñas de desechos radiactivos de vida corta. La fusión funciona según el principio de que la energía puede liberarse forzando la unión de los núcleos atómicos en lugar de dividirlos, como en el caso de las reacciones de fisión que impulsan las centrales nucleares existentes. En el núcleo del Sol, las enormes presiones gravitatorias permiten que esto suceda a temperaturas de alrededor de diez millones de grados centígrados. A presiones mucho más bajas que es posible recrear en la Tierra, las temperaturas para producir la fusión deben ser mucho más altas, por encima de los 100 millones de grados centígrados. No hay materiales que puedan soportar el contacto directo con tal calor. Entonces, para lograr la fusión en un laboratorio, los científicos han ideado una solución en la que un gas sobrecalentado, o plasma, se mantiene dentro de un campo magnético en forma de "rosquilla".
Desde otro punto de vista lo logrado el pasado mes de diciembre se confronta con la realidad de principios del siglo Veintiuno, sabemos bien que las centrales nucleares utilizan actualmente la fisión, la división del núcleo de un átomo pesado para producir energía. La fusión nuclear, al contrario, combina dos átomos de hidrógeno para formar un átomo de helio más pesado, liberando una gran cantidad de energía en el proceso.
Los científicos llevan décadas trabajando para desarrollar la fusión nuclear, considerada una fuente de energía limpia, abundante y segura que podría permitir a la humanidad romper su dependencia de los combustibles fósiles que provocan la crisis climática global.
Imagen del National Ignition Facility (NIF). Fotografía de Damien Jemison /LLNL.
Resumiendo el pasado mes de diciembre, se anunció un avance científico histórico en el campo de la fusión nuclear, que en unas décadas podría revolucionar la producción de energía en nuestro planeta, esto es, un experimento llevado a cabo la semana del 5 de diciembre de 2022, "produjo más energía de fusión que la energía láser utilizada" para provocar la reacción, explicó en un comunicado el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), situado en California y dependiente del Departamento de Energía estadunidense.
El anuncio, entusiasmó a la comunidad científica en todo el mundo, debido a que en la Tierra, como ya se vio, este proceso se puede conseguir con la ayuda de láseres ultrapotentes. En el "National Ignition Facility" (NIF), que depende del laboratorio californiano, 192 láseres apuntaron a un cilindro del tamaño de un dedal, donde se colocan los átomos de hidrógeno ligero que se fusionarán, con ello los científicos produjeron así unos 3.5 megajulios de energía usando 2.05 megajulios a través de los láseres, según informaron.
Este resultado proporciona una prueba de principios físicos descritos hace décadas.
Es importante mencionar que la fusión tiene algunas ventajas por sobre la fusión, por ejemplo: no presenta riesgo de desastre nuclear y produce menos desechos radiactivos. Y sobre todo, en comparación con las centrales eléctricas de carbón o gas, no genera gases de efecto invernadero.
Un equipo de científicos adscritos al (LLNL) afirmó el pasado ocho de agosto haber logrado repetir un experimento de "fusión nuclear", pero esta vez con una mayor producción de energía.
Lo anterior fue señalado por Paul Rhien, un portavoz del laboratorio, en un comunicado enviado por correo electrónico, sin revelar cifras. Agregó que el laboratorio dará detalles en las próximas conferencias científicas y en publicaciones revisadas por expertos.
Esta imagen, proporcionada por la Instalación Nacional de Ignición en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, muestra que el módulo preamplificador de ese equipamiento aumenta la energía del láser a medida que viaja a la cámara de destino. Fotografía Agencia Afp.
Es verdad que esta noticia como pronosticara la secretaria de energía de los Estados Unidos, ha quedado registrada en la historia de la humanidad, y el hecho de que se haya podido repetir el experimento de diciembre abre las posibilidades de obtener avances en un lapso menor, sin pecar de optimismo infundado, la técnica de Fusión por Confinamiento Inercial (FCI), está generando buenos augurios. También quedamos en espera de los resultados del proyecto (ITER) que se lleva a cabo en Francia, con la colaboración de treinta y cinco países con la implementación de la técnica Fusión por Confinamiento Magnético (FCM). Lo mejor está por llegar.
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