IFMIF-DONES, un firme cimiento para gestionar la energía de fusión
La humanidad está surcando un periodo convulso, acuciada por la necesidad de actuar ante desafíos tan formidables como la crisis del clima y el agua, la creciente demanda global de energía, el agotamiento de las reservas de combustibles basados en el carbono y los actínidos y los efectos nocivos sobre la salud y el ambiente derivados del uso de estos.
Ciertamente, los avances experimentados en el dominio de las energías renovables hacen que alcanzar un modelo energético sostenible sea una esperanza fundada. Sin embargo, la estrategia más alentadora y con mayor potencial para ser la fuente energética del futuro se basa en la fusión termonuclear. Cuando dispongamos de esta tecnología, inherentemente segura, cuyo combustible es prácticamente inagotable (las reservas de deuterio y litio son colosales y se extraen fácilmente del agua de mar) y con efectos ambientales mínimos (carece tanto de emisiones de dióxido de carbono como de residuos radiactivos de larga vida), el avance de la humanidad cobrará un nuevo impulso.
¿Dónde buscar la energía de fusión?
En otras entregas de esta serie se ha analizado con algún detalle por qué esta energía es el motor estelar. Es la energía que calienta el horno de las estrellas. En el Sol, con presiones de 25 PPa (petapascales) y temperaturas de 15 MK (megakelvin), los núcleos del átomo más ligero —el hidrógeno— chocan entre sí y experimentan reacciones de fusión nuclear que provocan la emisión de una enorme cantidad de energía, responsable también de la creación y el mantenimiento de la vida en nuestro planeta [1].
Nuestro objetivo, pues, es dominar y gestionar esta energía. Sería algo así como traer el poder del Sol y las estrellas a nuestro planeta.
[1] Cada segundo 700 millones de toneladas de hidrógeno se transforman mediante fusión nuclear en cenizas de helio. En este proceso cinco millones de toneladas de materia se convierten en energía.
¿Cómo lograr esta energía?
Conseguir que dos núcleos ligeros se fusionen, lo hemos visto en anteriores artículos, requiere vencer enormes fuerzas de repulsión culombiana. Desde hace décadas se trabaja con dos estrategias distintas para resolver este problema en la Tierra: el confinamiento magnético y el confinamiento inercial:
- Con el confinamiento magnético los núcleos se calientan a grandísimas temperaturas hasta formar un plasma, que se “embotella” mediante colosales campos magnéticos para darles tiempo de sufrir reacciones de fusión gracias a la agitación térmica.
Componentes básicos de un reactor tokamak para fusión por confinamiento magnético
El confinamiento inercial consiste en comprimir mediante haces pulsantes de láser (o de iones) pequeñas esferas que contienen átomos ligeros con objeto de incrementar súbitamente su densidad y temperatura hasta conseguir su fusión.
Esquema de un reactor de fusión de confinamiento inercial
Ambas estrategias deben superar retos tecnológicos que están en la frontera del conocimiento.
Hacia la fusión por confinamiento magnético
También hemos visto en artículos precedentes que los primeros frutos prometedores en el ámbito del confinamiento magnético se cosecharon en la década de 1990. Se hizo con ayuda de una máquina con tecnología tokamak denominada JET (Joint European Torus), emplazada en el Reino Unido. Lo satisfactorio de estos resultados aconsejó a la comunidad científica embarcarse en un proyecto mayor, donde, además del reactor, se pudieran probar otros sistemas auxiliares. Así surgió ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), que está erigiéndose en Cadarache (Francia). Su objetivo es confirmar la viabilidad técnica de la fusión nuclear por confinamiento magnético. Se espera que las actividades de ITER, el mayor tokamak del mundo, comiencen en 2025 y que trabaje a pleno rendimiento en 2035. Para acometer este gran desafío se han unido 35 países, siendo Fusión for Energy —con sede en Barcelona— la agencia que liga la contribución europea.
El siguiente paso en la agenda de la fusión nuclear consiste en diseñar una planta que pruebe la factibilidad comercial de producir energía eléctrica mediante fusión nuclear por confinamiento magnético. Las metas de este proyecto, apodado DEMO (Demonstration Power Station), son probar que cabe producir energía eléctrica rentable y en continuo, y que son eficientes los sistemas tanto de captura térmica como de regeneración del tritio. DEMO, pues, además de un dispositivo que será capaz de inyectar electricidad en la red, servirá de modelo para futuros reactores comerciales.
Programa de investigación tecnológica de la fusión por confinamiento magnético
IFMIF. Una instalación necesaria
El enorme hiato tecnológico existente entre ITER y DEMO [1] ha precisado establecer múltiples líneas complementarias de investigación científica y tecnológica. IFMIF (International Fusion Irradiation Facility) es una de ellas.
En efecto, la vasija de esta primera generación de reactores de alta potencia, necesaria para aprisionar este «sol» en la Tierra, será martillada por un intenso flujo de neutrones y otras partículas energéticas. Por tanto, hay que desarrollar y caracterizar materiales muy robustos, capaces de resistir este duro entorno operativo [2].
IFMIF es un programa de investigación, cuya primera fase comenzó en 1994 como una colaboración entre Japón, la Unión Europea, Estados Unidos y Rusia. A esta fase inicial le siguieron otras que fueron acercándose más y más al objetivo principal: lograr una fuente de neutrones con intensidad y energía similares a las que reinan en un reactor de fusión para probar y calificar los materiales que serán candidatos para construir estos dispositivos. ¡Actualmente no existe una fuente de neutrones cuya potencia sea análoga a la de un reactor de fusión en marcha!
[1] En verdad ITER será un experimento enorme, pero sólo funcionará en campañas de operación relativamente cortas. Sin embargo, DEMO operará de forma continua, de manera que los materiales serán irradiados, y dañados, hasta 100 veces más que en aquel experimento.
[2] En efecto, el flujo de neutrones que producen las reacciones de deuterio-tritio (con un orden de magnitud de unos 1018 m-2·s-1 y una energía máxima de 14,1 MeV) bombardeará los materiales del reactor, ocasionando daños que pueden superar los 10 dpa-NRT por año de operación. Además, los materiales deben presentar no sólo baja presencia de isótopos que se activen con largos períodos de semidesintegración, sino también valores moderados de calor de desintegración.
¿Estamos tecnológicamente preparados?
La senda recorrida hasta alcanzar la madurez actual para construir una fuerte de neutrones de alta potencia ha sido tortuosa y dilatada. Desde 2007, las actividades de IFMIF se fueron desarrollando en el marco del proyecto IFMIF-EVEDA, que forma parte del Acuerdo de Enfoque Amplio entre Europa y Japón. El objetivo de IFMIF-EVEDA es validar el diseño de ingeniería de tres instalaciones que se encuentran en la frontera del conocimiento tecnológico:
- Un prototipo del módulo de pruebas de alto flujo, en KIT (Alemania).
- Un lazo experimental de blancos de litio, en Oarai (Japón), que integra todos los elementos de la instalación IFMIF final relativos al circuito de litio.
- Un prototipo de acelerador de alta potencia (LIPAc), en Rokkasho (Japón).
El siguiente paso consiste en acoplar estas instalaciones en un solo sistema.
Comparación entre uno de los dos aceleradores de IFMIF (arriba) y el prototipo LIPAc (abajo)
Urge suministrar electricidad de fusión a la red
El diseño y la construcción de IFMIF engloba, como hemos ido analizando en otros artículos de esta serie, aceleradores de deuterones y delicados sistemas adicionales. Ello exige implantar complejas e innovadoras tecnologías, lo que supone costes elevados y plazos de ejecución dilatados. Sin embargo, el cronograma de la fusión apuesta por suministrar electricidad a la red a mediados de este siglo. Por tanto, el diseño, la construcción y la concesión de licencias de DEMO son cada vez más urgentes. Esto aconsejó acelerar el proyecto IFMIF inicial y, en 2014, surgió la iniciativa IFMIF-DONES (DEMO Oriented Neutron Source). Con esta decisión Europa y España se colocan a la cabeza de las potencias científicas y tecnológicas en la materia.
IFMIF-DONES. Una instalación única en el mundo
IFMIF-DONES es una etapa intermedia e ineludible para recabar con prontitud datos acerca de los materiales candidatos para la construcción de DEMO. No obstante, las simplificaciones introducidas en DONES en modo alguno obstaculizarán, sino todo lo contrario, la futura ampliación hacia IFMIF.
Así pues, el concepto de IFMIF-DONES adopta un enfoque gradual hacia la construcción de IFMIF, con mejor distribución de las inversiones a lo largo del tiempo y requisitos iniciales menos exigentes. No obstante:
- DONES se basará tanto como sea posible en el diseño de IFMIF.
- El diseño de DONES deberá permitir su futura ampliación hacia IFMIF.
- El coste de DONES debe reducirse cuanto sea posible.
- DONES sólo integrará un acelerador.
- Las operaciones por control remoto deben minimizarse.
IFMIF-DONES será un dispositivo sin igual en el mundo, donde un haz de deuterones de 125 mA y 40 MeV incidirá en un blanco de litio líquido (que fluye a unos 15 m/s), produciendo un campo adecuado de irradiación neutrónica en el área de los módulos de prueba. Supone pues, la ensambladura de las tres instalaciones clave descritas más arriba.
En síntesis, IFMIF-DONES será una máquina que reproducirá el bombardeo de neutrones que existe en los reactores de fusión de primera generación.
IFMIF-DONES y sus beneficios complementarios
La investigación científica, tecnológica e industrial realizada en el proyecto IFMIF-DONES aportará enorme provecho a las generaciones futuras.
Sin duda, el objetivo prioritario consiste en proporcionar de inmediato la base de datos de materiales para hacer realidad la fusión nuclear (una fuente de energía segura, inagotable y limpia).
Pero, no lo olvidemos, IFMIF-DONES es una fuente de neutrones inédita en el mundo, que, además de a la comunidad de la fusión, podrá beneficiar a otros ámbitos científicos, tecnológicos e industriales. Es decir, IFMIF-DONES abrirá las puertas a una nueva generación de aceleradores de alta potencia para la I+D multidisciplinar.
Un paso decisivo en Granada hacia la energía de fusión
En suma, la instalación IFMIF-DONES coronará otra etapa fundamental para gestionar esta energía de las estrellas en nuestro planeta y, tras el acuerdo entre Croacia y España, junto con el apoyo de Fusión for Energy y EUROfusion, se levantará en Escúzar, una pequeña localidad cercana a la bella e histórica ciudad de Granada, ubicada en España, en el sur de Europa.
Ubicación geográfica de la instalación IFMIF-DONES en España
Esquema en 2D con las principales instalaciones de IFMIF-DONES en Escúzar
Así pues, conociendo mejor los materiales seguimos ahondando en los cimientos para producir energía de fusión, una energía segura, inagotable y limpia.
Nuestro objetivo es proporcionar un futuro brillante a todas las generaciones venideras.
¡Nuestro gran reto acaba de empezar!
