En el umbral de la producción eléctrica mediante fusión nuclear

LA ERA POS-ITER

El programa ITER (acrónimo de International Thermonuclear Experimental Reactor), fruto de varias décadas de investigación en la física del plasma y la tecnología de los reactores de fusión, también es consecuencia de una colaboración internacional que podría finalizar justo al coronar esta etapa. Aunque la construcción de DEMO (del inglés, Demonstration Power Plant) constituye la fase natural ulterior para los socios que participan en ITER, China, la Unión Europea, India, Japón, Corea, Rusia y, en menor medida, Estados Unidos ya han manifestado otros puntos de vista sobre las especificaciones de un reactor de demostración pos-ITER (ver cuadro adjunto). En consecuencia, compiten varios proyectos de futuro, pero cuyos detalles exactos, en todo caso, requieren analizar el funcionamiento del reactor experimental ITER.

Lo que parece fuera de toda duda es que, impulsado por los promotores europeos de ITER y Japón, DEMO constituye el principal proyecto pos-ITER.

El PROYECTO DEMO

Con lo aprendido mediante el reactor experimental ITER ya se podrá afrontar el siguiente escalón: DEMO, que en cierta medida más que una máquina es un proceso. Este proyecto consiste en poner a punto la tecnología para diseñar y construir un reactor de fusión nuclear de demostración para producir electricidad hacia 2040 y que llevará la fusión al umbral de su industrialización. En consecuencia, DEMO exige considerar globalmente todos los requisitos físicos y tecnológicos y conciliarlos con sus respectivas condiciones de contorno.

Desde la perspectiva de la física los desafíos son múltiples: el encendido se realizará con un plasma más denso y sometido a mayor presión, pero cuidando siempre la integridad de las paredes del contenedor. Y en términos tecnológicos hay que desarrollar materiales de pared robustos, refrigerantes para altas temperaturas y métodos energéticamente eficientes de encendido del plasma y de mantenimiento de su corriente. En consecuencia, están involucrados múltiples ámbitos de investigación:

• Funcionamiento en continuo o de pulso largo.
• Operación con plasmas de alta densidad.
• Interfase pared-plasma para minimizar el enfriamiento del plasma.
• Diagnóstico y control de plasma.
• Encendido y accionamiento de la corriente del plasma.
• Materiales para componentes estructurales y funcionales.
• Componentes del contenedor y de los lazos refrigerantes.
• Ciclo del tritio
• Tecnología de vacío.
• Tecnología superconductora.
• Técnicas de control y mantenimiento remotos.
• Eficiencia, confiabilidad y disponibilidad de todos los sistemas.

VIABILIDAD de DEMO

Con DEMO se mostrará que es posible producir electricidad utilizando la energía de las reacciones de fusión nuclear que ocurren en el seno de un plasma calentado a alta temperatura (∿100 MK).

Para que tal proyecto sea viable se postulan como necesarios tres requisitos mínimos:

• Las reacciones de fusión tienen que rendir más energía de la necesaria para mantener el plasma «encendido» (plasma en condiciones de producir en su seno reacciones de fusión).
• Hay que poder convertir la energía producida en las reacciones de fusión en electricidad.
• Las reacciones de fusión deben mantenerse en el tiempo para generar electricidad indefinidamente.

En cuanto a la primera condición, el tokamak JET (acrónimo de Joint European Torus) tiene hoy en día el récord de producción, pero el rendimiento sigue siendo negativo, pues apenas genera el 65% de la energía de activación consumida. Mostrar que es posible un balance energético positivo es uno de los objetivos de ITER, con el que se quiere producir el décuplo de la energía total consumida.

Por lo que respecta a la segunda exigencia, adviértase que durante las reacciones de fusión la energía surge principalmente en forma de radiación gamma. Este tipo de energía es difícil de «recuperar», en particular mediante el intercambio de calor con ayuda de un fluido refrigerante. Para zanjar este importante obstáculo actualmente se están realizando varios experimentos con diferentes sistemas de transferencia energética.

No obstante, hasta la fecha el mayor reto radica en la tercera traba. En efecto, una central eléctrica comercial, excepto por razones de mantenimiento, tiene que ser capaz de producir electricidad sin interrupción durante largos períodos de tiempo. Hoy por hoy los ensayos de fusión nuclear están muy lejos de este logro, pues los dispositivos sólo son capaces de mantener el plasma encendido por muy breve tiempo. El récord está en 390 segundos, en manos del tokamak Tore Supra (actual proyecto WEST). El ITER tiene la ambición de mantener un plasma encendido no menos de 400 segundos (los modelos de simulación señalan que superado ese tiempo ya no sería necesario aportar energía externa porque el plasma ya podrá automantener las reacciones de fusión).

Es obvio que las características exactas de DEMO se diseñarán sobre la base de los resultados de ITER, que habrán de analizarse con sumo cuidado. Por tanto, en el presente aún no se pueden definir esas especificaciones. Por el contrario, hay más preguntas que respuestas: ¿qué materiales deben usarse en el dispositivo, en particular ahí donde mayor es la intensidad magnética en un reactor en funcionamiento continuo? [1], ¿es indispensable el solenoide central?, ¿qué sistemas serán más eficientes para «recuperar» la energía de la radiación gamma y para capturar los neutrones de alta energía?, ¿qué combustibles permitirán el funcionamiento a largo plazo de un reactor de fusión en el futuro?, ¿qué diseño deberá adoptar DEMO? [2]…

ALGUNAS CONSIDERACIONES TÉCNICAS

En esta serie de artículos se ha repetido que los combustibles candidatos para los reactores de fusión de primera generación son el deuterio y el tritio (isótopos ambos del hidrógeno). Durante la reacción de fusión, los núcleos de estos dos elementos se unen para formar helio, emitiendo una enorme cantidad de energía. También sabemos que estos núcleos, para unirse, deben acercarse entre sí a menos de 1 femtómetro. A esa distancia el efecto cuántico de «túnel» les permite superar la barrera de repulsión coulombiana (no se olvide que ambos núcleos están cargados positivamente).

De ahí que, además de la alta densidad del plasma, sea tan importante en las reacciones de fusión nuclear la energía de activación, con temperaturas de unos 100 MK. Ello se logra, recuérdese, empleando diversas fuentes de energía, como el calentamiento óhmico (corrientes eléctricas inducidas en el plasma), las microondas, los haces de iones o la inyección de haces neutros.

Además de helio, las reacciones de fusión producen neutrones ultraveloces y radiación electromagnética muy energética. Este helio extraordinariamente caliente compensará las pérdidas que tienden a «apagar» el plasma con bastante rapidez. Pero, además, el recipiente de contención del tokamak tendrá un revestimiento (cerámico o de alguna resina compuesta) por cuyo interior unos conductos dispuestos adecuadamente conducirán litio líquido. La capacidad de este alcalino para absorber neutrones, originando helio [3] y tritio, cumple dos objetivos: servir de primer lazo refrigerante y regenerar el tritio necesario para la reacción de fusión. Añadimos que durante este proceso de regeneración la cantidad de litio consumida es diminuta.

El calor absorbido por el litio de este primer circuito se transfiere a otro lazo refrigerante, por el que circulará probablemente agua líquida presurizada. La energía térmica acumulada en este lazo secundario servirá para generar vapor de agua en un intercambiador de calor, que se utilizará para impulsar las turbinas de un generador de energía eléctrica.

Así pues, debido a la escasez del tritio, los combustibles candidatos para DEMO son el deuterio y el litio (elemento precursor del tritio, como se ha visto). Precisamente, otro de los objetivos principales de ITER es probar la viabilidad parcial de este ciclo de transformación del litio en tritio. En consecuencia, DEMO será la máquina donde la totalidad de este ciclo se investigará antes de construir el prototipo industrial de reactor de fusión.

BREVE COMPARACIÓN DE DEMO CON ITER

Si producir 500 MW durante 400 segundos y decuplicar la energía necesaria para iniciar la reacción es el objetivo del ITER, el de DEMO es producir en continuo el cuádruple de la potencia lograda en ITER (2 GW), multiplicando por veinticinco la energía invertida para iniciar la reacción. En suma, DEMO debería alcanzar una producción similar a la de las actuales centrales eléctricas.

Se espera, por consiguiente, que DEMO sea el primer reactor de fusión que suministre energía eléctrica a la red de modo comercialmente viable (los dispositivos experimentales anteriores, tales como ITER, generan principalmente energía térmica que se disipa a la atmósfera en forma de vapor de agua). En suma, las metas principales de DEMO son la extrapolación del funcionamiento continuo o cuasi continuo (estado estacionario), el estudio de sistemas eficientes de generación de energía, lograr una relación entre la potencia generada y la consumida (Q) de 30 a 50 (en comparación con Q ≥ 10 para el ITER), y la regeneración del tritio.

Para lograr estos objetivos, el tokamak DEMO requerirá un diámetro exterior de unos seis a diez metros, y un plasma un 30% más denso. Empero, es probable que su construcción sea bastante más simple que la de ITER, pues el diseño se centrará en la generación de energía más que en la exploración del régimen de plasma y, por tanto, habrá muchos menos sistemas de diagnóstico.

DEMO GENERARÁ ESCASOS RESIDUOS PELIGROSOS

Los productos de la reacción de fusión empleada en DEMO no son radiactivos, pero las partes metálicas de la cámara de contención del plasma sí se activarán neutrónicamente. No obstante, esta radiactividad se disiparía en muy pocas décadas —la vida media de estos desechos es insignificante comparada con los producidos en la fisión nuclear—. Por tanto, los riesgos asociados son enormemente menores.

¿Y DESPUÉS DE DEMO?

El proyecto DEMO allanará el camino para comercializar los primeros reactores de fusión, cuyo coste debería ser inferior a la cuarta parte del precio de DEMO. Como no es probable que entren en funcionamiento antes de 2040, ello implica empezar a construir DEMO antes de que ITER (cuyo primer disparo está previsto para diciembre de 2035) rinda todas sus potencialidades. En todo caso, las siguientes etapas serán el resultado de la libre elección política en cada país interesado. No obstante, resulta razonable esperar que la generación de energía de fusión sea una realidad en la segunda mitad de este siglo.

[1] Para responder a esa pregunta se estableció el proyecto IFMIF-DONES, para desarrollar materiales avanzados, del que hablaremos extensamente más adelante en esta serie de artículos.

[2] Durante la construcción de ITER y el diseño de DEMO se explotarán otras instalaciones para estudiar la regeneración del tritio, la eliminación de calor y su transformación en electricidad…

[3] Este gas noble, que puede considerarse la «ceniza» de esta combustión, tendrá que retirarse de algún modo, para que no se acumule.