La fusión nuclear es el proceso por el que dos núcleos atómicos ligeros se combinan para formar uno solo más pesado, liberando enormes cantidades de energía.
Las reacciones de fusión tienen lugar en un estado de la materia llamado plasma, un gas caliente y cargado formado por iones positivos y electrones en movimiento libre con propiedades únicas distintas de las de los sólidos, líquidos o gases.
El Sol, junto con todas las demás estrellas, se alimenta de esta reacción. Para fusionarse en nuestro sol, los núcleos tienen que chocar entre sí a temperaturas extremadamente altas, en torno a los diez millones de grados centígrados. La alta temperatura les proporciona la energía suficiente para superar su repulsión eléctrica mutua. Una vez que los núcleos se acercan mucho entre sí, la fuerza nuclear de atracción entre ellos supera la repulsión eléctrica y les permite fusionarse. Para que esto ocurra, los núcleos deben estar confinados en un espacio reducido para aumentar las posibilidades de colisión. En el Sol, la presión extrema producida por su inmensa gravedad crea las condiciones para la fusión.
¿Por qué estudian los científicos la energía de fusión?
Desde que se comprendió la teoría de la fusión nuclear en la década de 1930, los científicos -y cada vez más también los ingenieros- se han dedicado a recrearla y aprovecharla. Y es que si la fusión nuclear puede reproducirse en la Tierra a escala industrial, podría proporcionar una energía limpia, segura y asequible prácticamente ilimitada para satisfacer la demanda mundial.
La fusión podría generar cuatro veces más energía por kilogramo de combustible que la fisión (utilizada en las centrales nucleares) y casi cuatro millones de veces más energía que la combustión de petróleo o carbón.
La mayoría de los reactores de fusión que se están desarrollando utilizan una mezcla de deuterio y tritio, átomos de hidrógeno que contienen neutrones adicionales. En teoría, con sólo unos gramos de estos reactantes es posible producir un terajulio de energía, que es aproximadamente la energía que necesita una persona de un país desarrollado a lo largo de sesenta años.
El combustible de fusión es abundante y fácilmente accesible: el deuterio puede extraerse a bajo coste del agua de mar, y el tritio puede producirse potencialmente a partir de la reacción de los neutrones generados por la fusión con el litio, abundante en la naturaleza. Estas reservas de combustible durarían millones de años. Los futuros reactores de fusión también son intrínsecamente seguros y no se espera que produzcan residuos nucleares de alta actividad o de larga vida. Además, como el proceso de fusión es difícil de iniciar y mantener, no hay riesgo de reacción fuera de control y fusión; la fusión sólo puede producirse en condiciones operativas estrictas, fuera de las cuales (en caso de accidente o fallo del sistema, por ejemplo), el plasma terminará de forma natural, perderá su energía muy rápidamente y se extinguirá antes de que se produzca ningún daño sostenido en el reactor.
Y lo que es más importante, la fusión nuclear -al igual que la fisión– no emite dióxido de carbono ni otros gases de efecto invernadero a la atmósfera, por lo que podría ser una fuente de electricidad con bajas emisiones de carbono a largo plazo a partir de la segunda mitad de este siglo.
Más caliente que el sol
Aunque la enorme fuerza gravitatoria del sol induce naturalmente la fusión, sin esa fuerza se necesita una temperatura aún mayor que en el sol para que se produzca la reacción. En la Tierra, necesitamos temperaturas de más de 100 millones de grados Celsius para hacer que el deuterio y el tritio se fusionen, regulando al mismo tiempo la presión y las fuerzas magnéticas, para un confinamiento estable del plasma y para mantener la reacción de fusión el tiempo suficiente para producir más energía de la necesaria para iniciar la reacción.
Aunque en los experimentos se consiguen actualmente condiciones muy parecidas a las que se requieren en un reactor de fusión, aún es necesario mejorar las propiedades de confinamiento y la estabilidad del plasma para mantener la reacción y producir energía de forma sostenida. Científicos e ingenieros de todo el mundo siguen desarrollando y probando nuevos materiales y diseñando nuevas tecnologías para conseguir energía de fusión neta.
Más información en el siguiente vídeo:
El futuro de la energía de fusión
La obtención de energía a partir de la fusión nuclear se considera el gran reto de ingeniería del siglo XXI. ¿Qué hay que hacer para que la energía de fusión sea comercialmente viable?
¿En qué punto nos encontramos en el desarrollo de la tecnología de fusión?
La fusión nuclear y la investigación en física del plasma se llevan a cabo en más de 50 países, y las reacciones de fusión se han producido con éxito en muchos experimentos, aunque sin generar hasta ahora más energía de la necesaria para iniciar el proceso de reacción. Los expertos han ideado diferentes diseños y máquinas basadas en imanes en las que tiene lugar la fusión, como los stellarators y los tokamaks, pero también enfoques que se basan en láseres, dispositivos lineales y combustibles avanzados.
El tiempo que tarde en implantarse con éxito la energía de fusión dependerá de la movilización de recursos a través de asociaciones y colaboraciones mundiales, y de la rapidez con que la industria sea capaz de desarrollar, validar y cualificar las tecnologías de fusión emergentes. Otra cuestión importante es desarrollar paralelamente la infraestructura nuclear necesaria, como los requisitos, normas y buenas prácticas, pertinentes para la realización de esta futura fuente de energía.
Tras 10 años de diseño de componentes, preparación del emplazamiento y fabricación en todo el mundo, el montaje del ITER en Francia, la mayor instalación internacional de fusión del mundo, comenzó en 2020. ITER es un proyecto internacional cuyo objetivo es demostrar la viabilidad científica y tecnológica de la producción de energía de fusión y probar la tecnología y los conceptos para futuras centrales de fusión de demostración productoras de electricidad, denominadas DEMO. El ITER empezará a realizar sus primeros experimentos en la segunda mitad de esta década y está previsto que los experimentos a plena potencia comiencen en 2036.
Los plazos de DEMO varían según los países, pero el consenso entre los expertos es que una central de fusión productora de electricidad podría estar construida y en funcionamiento en 2050. Paralelamente, numerosas empresas comerciales financiadas con fondos privados también están avanzando en el desarrollo de conceptos para centrales de fusión, aprovechando los conocimientos técnicos generados durante años de investigación y desarrollo financiados con fondos públicos, y proponiendo la energía de fusión incluso antes.
¿Cuál es el papel del OIEA?
El OIEA tiene un largo historial en el centro de la investigación y el desarrollo internacionales de la fusión, y recientemente ha empezado a apoyar el desarrollo y el despliegue de las primeras tecnologías.
- El OIEA lanzó la revista Nuclear Fusion en 1960 para intercambiar información sobre los avances en fusión nuclear. En la actualidad, la revista se considera la principal publicación periódica en este campo. El OIEA también publica regularmente TECDOCs y material de divulgación y educación sobre la fusión.
- La primera Conferencia Internacional del OIEA sobre Energía de Fusión se celebró en 1961 y, desde 1974, el OIEA convoca una conferencia cada dos años para fomentar el debate sobre los avances y logros en este campo. Vea un cortometraje sobre la historia de esta serie de conferencias.
- Desde 1971, el Consejo Internacional de Investigación sobre la Fusión del OIEA ha servido de catalizador para establecer una mejor colaboración internacional en la investigación sobre la fusión.
- El Acuerdo ITER está depositado ante el Director General del OIEA. La colaboración entre el OIEA y la Organización ITER se formaliza mediante un acuerdo de cooperación en 2008, que se amplió y profundizó en 2019.
- El OIEA facilita la cooperación internacional y la coordinación de las actividades del programa DEMO en todo el mundo.
- El OIEA lleva a cabo una serie de reuniones técnicas y actividades de investigación coordinadas sobre temas relevantes para el desarrollo y despliegue de la ciencia y la tecnología de la fusión, y organiza y apoya actividades de educación y formación sobre la fusión.
- El OIEA mantiene bases de datos numéricos de datos fundamentales para la investigación de la energía de fusión, así como el Sistema de Información sobre Dispositivos de Fusión (FusDIS), que recopila información sobre dispositivos de fusión en funcionamiento, en construcción o en proyecto en todo el mundo.
- El OIEA está llevando a cabo un proyecto sobre las sinergias en el desarrollo tecnológico entre la fisión nuclear y la fusión para la producción de energía, y sobre la sostenibilidad a largo plazo -incluida la gestión de residuos radiactivos- y las cuestiones jurídicas e institucionales de las instalaciones de fusión.
- El OIEA está investigando aspectos clave de la seguridad que abarcan todo el ciclo de vida de las instalaciones de fusión, donde se necesitan directrices y documentos de referencia específicos.
- El OIEA está apoyando un estudio de prefactibilidad de una planta genérica de demostración de fusión.
Este artículo se publicó por primera vez en iaea.org el 31 de marzo de 2022.
