FUSIÓN NUCLEAR. LA ENERGÍA DE LAS ESTRELLAS "La energía proveniente de la fusión nuclear será la energía inagotable del futuro con mínima contribución de gases de efecto invernadero"

 

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Energía y sociedad

El reto energético científico y tecnológico del Siglo XXI es incorporar al portafolio de generación de electricidad, todas las fuentes de energía con contribuciones crecientes de las fuentes renovables sobre las fósiles, incluyendo la energía nuclear. La ventaja fundamental de la energía nuclear, a pesar de las enormes dificultades relacionadas con la seguridad sobre todo después de la experiencia de los recientes eventos de Fukushima, sigue siendo el hecho de que no genera cantidades de dióxido de carbono de consideración, el principal gas de efecto invernadero de origen industrial; una clara ventaja de ofrecer una solución efectiva al problema del calentamiento global.

Las dos maneras de generar energía nuclear utilizable con fines pacíficos, son la fisión y la fusión nuclear; ésta última tiene el potencial de constituirse en la principal fuente energética a partir de la segunda mitad de este siglo y a largo plazo por miles de miles de años; tiene además ventajas inherentes en relación a la seguridad nuclear y al medioambiente al no producir desechos radioactivos de larga duración, y por que los “combustibles” son prácticamente inagotables en el planeta.

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 ¿Qué es la Fusión Nuclear?

 La combinación de dos partículas físicas elementales tales como protones (núcleos de átomos de hidrógeno) conocemos como una reacción nuclear de fusión.  Estas reacciones nucleares ocurren en el Sol y en las estrellas, y el hombre fue capaz de reproducir artificialmente en la bomba termonuclear o de hidrógeno de una manera no controlada e inútil para generar energía con fines pacíficos. La fusión de dos núcleos livianos, da como resultado un nuevo núcleo con menor masa que la suma de las masas originales, que en el caso de la reacción entre dos protones para dar un núcleo de helio, el defecto o “pérdida” de masa es muy pequeño, solo el 0.7%. Esta diferencia de masa no desaparece, sino que se transforma en energía de acuerdo con la famosa y popular fórmula propuesta por A. Einstein, E= mc2, que es muy superior a la que estamos acostumbrados en la reacciones químicas de combustión.  

Es interesante reflexionar que de cierta manera, casi toda la energía que usamos, con excepción de la energía nuclear de fisión de átomos de uranio o torio, proviene en última instancia de reacciones nucleares de fusión que tiene lugar en nuestro Sol y en todas las estrellas del universo. Por ejemplo, la energía fósil proviene de plantas que crecieron usando energía solar por medio del proceso de fotosíntesis, la energía eólica se origina por la diferencia de temperaturas en la atmósfera causadas por el Sol y la energía hidráulica por la evaporación de agua de los mares por la acción del calor generado por los rayos solares.     

 Reproducir en la Tierra las condiciones físicas propicias para inducir reacciones nucleares de fusión de hidrógeno será muchísimo más complicado, por ejemplo, se requerirán temperaturas mayores a 100 millones de grados, algo así como 10 veces más la temperatura del centro del Sol.

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 Investigación para el control y aprovechamiento de la energía de fusión

 Hay todavía por delante varias décadas de investigación internacional y multidisciplinaria con la participación de muchos gobiernos y miles de científicos e ingenieros, además de altísimos niveles de financiamiento sostenido por largo plazo, que según algunos expertos podrían llegar a sumar decenas de miles de millones de dólares. Este esfuerzo tecnológico y económico no puede ser afrontado por un solo gobierno por más rico que fuera. A pesar de estas formidables dificultades, poder controlar y aprovechar la energía de fusión nuclear ofrece tremendos incentivos por algunas de las razones que mencionamos a continuación: 

 -          Combustible inagotable y de bajo costo, repartidos casi uniformemente en la superficie de la tierra

 Por varias razones de carácter técnico, la reacción de fusión nuclear más apropiada a ser utilizada para generar energía eléctrica en la Tierra es la fusión entre dos isótopos pesados del elemento hidrógeno: el Deuterio (D) y el Tritio (T); en realidad núcleos de átomos de deuterio y tritio, y no otras combinaciones posibles como fusión de dos protones tal como ocurre en nuestro Sol. El deuterio se lo puede extraer fácilmente del agua del mar mediante el proceso de electrólisis; un metro cúbico de esta contiene 30 gramos de deuterio, en tanto que el tritio, que es radioactivo con una vida media de 12 años, no existe en cantidades significativas en la naturaleza; pero que se lo puede producir en el mismo reactor nuclear de fusión a partir del elemento litio. El litio se lo extrae de depósitos que existen en suficientes cantidades tanto en la corteza terrestre como también en el agua del mar (0,0035%).

 El ciclo de la reacción del combustible D-T es: Deuterio + Litio = Helio + Energía. Este balance nos muestra también que uno de los subproductos de la reacción o desecho, es el gas inerte helio; el gas menos reactivo químicamente hablando. Se estima que los recursos de combustibles nucleares de fusión para la reacción D-T, durarán por miles y miles de años, posiblemente millones de años. Los procesos tecnológicos de obtención son conocidos y de relativamente bajo costo y de insignificante o nulo impacto ambiental.

 -          Alta densidad energética

 Teóricamente, un gramo de combustible para la reacción D-T generaría cerca de 100,000 KWh de electricidad, equivalente aproximadamente a 10 toneladas de carbón en una planta térmica. Según los científicos, se proyecta que un reactor nuclear de fusión consumirá relativamente pequeñas cantidades de combustible; por ejemplo, para una planta nuclear de fusión que generaría 1000 MWe según los conceptos de diseño actuales, solo alrededor de 250 kg de combustible y 3-4 toneladas de litio serían necesarias para un año de funcionamiento. Comparativamente, una planta termoeléctrica en base a carbón de la misma potencia, necesita más de 3 millones de toneladas de combustible, depositando en la atmósfera la enorme cantidad de 11 millones de toneladas de dióxido de carbono.

  -          Seguridad

 Los científicos e ingenieros aseguran que los diseños de reactores de fusión, tanto los llamados “tokamaks” como los “estellaratores”, son intrínsecamente seguros. El combustible nuclear actualmente presente dentro de la cámara de fusión es muy pequeño, solo unos pocos gramos y suficiente para mantener la reacción nuclear solo por 10 segundos de operación. Por otra parte, en las reacciones de fusión, las leyes de la física impiden que se produzcan reacciones en cadena como las que ocurren en las reacciones de fisión de uranio.

 Libre de emisión de gases de efecto invernadero

 El problema fundamental de los combustibles fósiles, no es tanto su relativamente poca abundancia en un horizonte de 100 ó más años, sino la emisión de dióxido de carbono en enormes cantidades.

 Si bien los combustibles fósiles líquidos como el petróleo están o pronto lo estarán en declinación, las reservas de sólidos como el carbón parecen ser todavía muy abundantes; y con los nuevos descubrimientos y explotación medioambientalmente altamente controversial de reservas de gas no convencional, el “gas pizarra”, la vida útil de estos combustibles fósiles podría prolongarse por lo menos por una centena ó más de años, en franco detrimento para el medioambiente con todas las consecuencias que ya se conocen sobre el calentamiento global. Por el contrario, la energía proveniente de los procesos nucleares de fusión es una energía libre o de bajo carbón; una clara e importante ventaja sobre las energías fósiles.  

 Cooperación Internacional

 La investigación y desarrollo para lograr reproducir en la Tierra de una manera controlada lo que ocurre en el Sol y en las estrellas con fines de generación de energía útil es el reto más severo que se ha propuesto afrontar y resolver la ciencia y la tecnología moderna en toda su historia. El reto es de tal magnitud que hace necesaria e indispensable la cooperación internacional puesto que el esfuerzo tecnológico y económico supera a las posibilidades de un país solo.

 Al presente son solo dos las instalaciones de investigación que operan plasmas combinados con los dos combustibles nucleares (D-T) y que han producido energía de fusión, demostrando de esta manera la viabilidad científica de producir energía; el JET ( Joint European Torus, 1976-1978, 1st plasma 1983) en Oxfordshire, Reino Unido, y TFTR (Toroidal Fusion Thermonuclear Reactor) en la Universidad de Princeton, Estados Unidos, que produjo 16 MW de potencia controlada de fusión, record mundial hasta el presente. Muchos otros países tienen grupos de investigación activamente trabajando en la física del plasma y operando estaciones experimentales de Tokamaks.

 La demostración de la viabilidad tecnológica para producir energía eléctrica de forma eficiente, económica y amigable para el medio ambiente, se la realizará en el proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) que se está construyendo en Caradache, Francia, a un costo que podría superar los 15 mil millones de dólares, con la participación de USA, la Unión Europea, Japón, Rusia, China, Corea del Sur e India, cuyo diseño está proyectado para alcanzar una potencia de 500 MWe ( Q ≥ 10, representa la meta de ITER de producir energía 10 veces superior a la energía que se consume para iniciar el proceso de fusión) para el 2022 y que estará operacional hasta el 2037.

 Después de ITER, se plantea la instalación de la primera planta de 2 a 4 GWe mediante el proyecto DEMO (Demostration Fusion Power Plant) para alrededor del 2040, que demostrará la viabilidad de producir comercialmente energía eléctrica en gran escala. La realización de estos plazos es todavía muy incierta, pues dependen de factores tanto políticos, los que pueden ser muy variables, como también de factores de naturaleza económica y técnicos. ITER y DEMO serán los proyectos científicos y tecnológicos de mayor envergadura que la humanidad haya emprendido jamás.

 Ante este escenario de que todavía hay unas buenas décadas por delante antes de que la energía de fusión sea una realidad tecnológica y comercial, surge naturalmente la pregunta de qué hacer con la inevitable crisis energética basada en los combustibles fósiles que se pronostican para las próximas décadas, si a la vez, se quiere genuina y eficazmente reducir la emisión de gases de efecto invernadero. Las respuestas vendrán, por un lado, en la utilización cada vez mayor de fuentes renovables como la solar, eólica, geotérmica, hidráulica y otras, acopladas al desarrollo de tecnologías para hacerlas más eficientes y competitivamente económicas; y por otro, en mejorar substancialmente los aspectos relacionados con la seguridad nuclear basada en la fisión con la incorporación de diseños de última generación de estos reactores, muy en particular, después de los lamentables episodios de Fukushima en Marzo del 2011. Muchos planificadores de energía, piensan que la actual energía nuclear de fisión jugará el rol de puente o de transición en el Siglo XXI hasta que la energía de fusión sea una realidad tecnológica y comercial.     

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La fusión nuclear en el contexto de los países en desarrollo

Aunque hay muchísima literatura y fórums de discusión sobre el rol de la energía nuclear en general, y de la energía de fusión en particular en los países industrializados, pocas veces se habla de la relevancia y aplicabilidad de esta fuente de energía para los países en vías de desarrollo industrial. Si revisamos la situación de la energía nucleoeléctrica basada en la fisión en el mundo, podemos concluir que son relativamente pocos los países en desarrollo que tienen plantas nucleoeléctricas en operación a más de medio siglo de haberse instalado la primera planta nuclear comercial en 1956 en el Reino Unido. En América Latina, solo son tres los países que operan este tipo de instalaciones, Argentina, Brasil y México. En África y el Medio Oriente, con la excepción de África del Sur y más recientemente Irán, no existe ningún otro país con una planta nuclear.

 Las razones para esta situación son variadas, pero estas derivan fundamentalmente de que la tecnología nuclear requiere de altos niveles de formación y requerimientos de recursos humanos y financieros, y en cierto grado, a razones de tipo político o de aceptación de la tecnología nuclear. En el caso de la energía de fusión, estos requerimientos todavía serán mucho más severos y exigentes por lo que no es de esperar que haya muchos países en desarrollo que estén en la situación de incorporar estas tecnologías una vez técnicamente desarrolladas, si no en muchos años y posiblemente décadas después de haberse implementado en los países industrializados. Es razonable pensar que la energía de fusión, como una energía inagotable y sin impacto en el calentamiento global, no contribuirá sustancialmente al portafolio de fuentes energéticas en los países en desarrollo, quizás solo en algunos de los países actualmente denominados como países con economías emergentes.   

 En el caso de Bolivia, sin experiencia en el campo de la energía nuclear y con recursos energéticos renovables y no renovables todavía no totalmente explotados, es razonable proyectar que la incorporación de la opción energética nuclear constituya un proyecto a mediano y largo plazo. En un horizonte de 20 a 50 años, se tendría que pensar en la energía nuclear de fisión antes que la de fusión, pues se trata de tecnologías probadas y disponibles comercialmente. La fusión nuclear, como en otros países similares a Bolivia, recién sería ser una opción hacia los finales del presente siglo. En ambos casos, el país necesita todavía llegar a decisiones políticas de estrategia energética, en la cual la opción nuclear, fisión y fusión, pueda ser incorporada en el portafolio energético nacional.

 
http://es.wikipedia.org/wiki/Salar_de_Uyuni

  Bolivia, litio y energía de fusión

 Muchas son las expectativas que se esperan de la industrialización de los enormes recursos evaporíticos que Bolivia posee en los salares del altiplano boliviano, estas incluyen desde la utilización del litio en baterías de iones de litio hasta materiales especializados como vidrios y cerámicas, incluyendo la utilización como material generador de tritio para la fusión nuclear. Aún los políticos se refieren entusiasmadamente de que el litio boliviano salvará al mundo de la crisis energética mundial y de los efectos ambientales de los combustibles fósiles. Sin embargo, es difícil determinar o conocer los justificativos técnicos en los que se apoyan para proponer estas ideas.

 Los reactores comerciales de fusión consumirán litio al utilizar la reacción Deuterio-Tritio para generar energía. Estimar cuánto litio será necesario para estos fines en el mediano futuro depende de los diseños tecnológicos que finalmente sean puestos en operación; cosa que todavía está en desarrollo investigativo. Sin embargo se pueden hacer ciertas estimaciones con un buen grado de certeza basados en las leyes fundamentales de la física que se conocen muy bien: si proyectamos optimistamente 1000 reactores de fusión de 1000 MWe operando en algún momento dentro los próximos 100 años (debemos recordar que en el mundo existen menos de 500 reactores de fisión en operación al 2011 que suministran el 14% del consumo energético mundial), los requerimientos de litio serían del orden de 3 a 4 mil toneladas de litio por año, una cantidad relativamente pequeña frente a los requerimientos para otros usos no nucleares (solo el 20 % aproximadamente de la producción anual mundial al 2011). Los recursos de litio en el planeta se estiman del orden de decenas o más de millones de toneladas. En estas circunstancias, aunque indispensable para la tecnología de la fusión nuclear, no es de esperar que el litio, desde una perspectiva de su abundancia, distribución geográfica y accesibilidad, pueda pronto convertirse en un recurso estratégico nuclear. 

  

Contribución: 
Acad. Dr. Hernán Vera Ruíz