Proyecto ITER: La ingeniería detrás de intentar meter el sol en una caja – Parte 1

(Este artículo es una traducción del original que escribí para MappingIgnorance.org) (Ver todas las entradas sobre ITER)

El laureado con el Nobel de Física Pierre-Gilles de Gennes dijo una vez sobre la fusión nuclear: “Decimos que pondremos el sol en una caja. La idea es atractiva, el problema está en que no sabemos cómo ni de qué hacer la caja“.

Sin duda, la tarea representa un reto aún mayor que la construcción del famoso LHC (Large Hadron Collider, CERN), el gigante de la investigación científica que confirmó la existencia del bosón de Higgs en 2013. El proyecto ITER y sus sucesores serán, probablemente, los mayores logros de ingeniería de la humanidad durante el siglo XXI. Con la presente serie de artículos, intentaremos asomarnos a los problemas concretos que enfrenta el proyecto que, junto a las fuentes de energía renovables, está llamado a aliviar las inevitables crisis energéticas del mañana.

Precedentes

Retrocedamos un poco en el tiempo, en concreto, hasta 1991. Estamos en el JET (Joint European Torus), en Oxfordshire (Reino Unido). Tras cuarenta años de preparación y experimentos preliminares, se va a intentar controlar una reacción nuclear de fusión por primera vez en la historia. La clave es controlarla, ya que décadas atrás sí que se habían conseguido reacciones de fusión descontroladas…  en las pruebas de bombas H.

Los científicos hicieron girar un gas dentro de una cámara en forma toroidal mientras lo calentaban mediante corrientes eléctricas inducidas de 3 millones de amperios, hasta que el gas se convirtió en un flujo estable de plasma. Imanes gigantescos proporcionaban el enorme campo magnético necesario (2.8 Tesla) para mantener el plasma girando en mitad del espacio vacío, sin tocar las paredes.

Internal view of the JET vacuum vessel. (Left) Empty vessel, (right) the vessel under operation with plasma inside. (Photo courtesy: EFDA-JET)

Composición de dos vistas internas de la cámara de vacío del JET.
(Izquierda) la cámara vacía, (derecha) en funcionamiento con parte del plasma visible (Foto: EFDA-JET)

Entonces, se inyectaron menos 0.2 gramos de tritio en el plasma y ocurrió la magia: por un segundo, la producción de energía se disparó hasta el nivel de los megavatios (MW) [1]. El puñado de neutrones calientes (es decir, rápidos) que se habían producido durante la fusión nuclear llevaban energía suficiente como para generar la electricidad de un pueblo pequeño. La energía nuclear por fusión controlada de deuterio-tritio (DT) ya era una realidad… salvo por el pequeño “detalle” de que se había producido menos energía que la que fue necesaria para conseguir la reacción.

Un vídeo del reactor francés Tore Supra,  similar al usado en JET. La parte visible del plasma es sólo la superficie externa. (Commissariat à l’énergie atomique, 2006).

 

Objetivos y promotores de ITER

Aunque bautizado inicialmente ITER por las siglas de International Thermonuclear Experimental Reactor (I.T.E.R.), desde hace años se intenta olvidar ese origen y se intenta vender que significa “el camino” en Latín, en un intento de alejar lo más posible las connotaciones bélicas y negativas de las tres últimas palabras (T.E.R.).

Los objetivos de ITER son tan fáciles de entender como difíciles de alcanzar: construir el primer reactor de fusión nuclear de 500 MW capaz de funcionar de manera autosostenida durante 8 minutos, es decir, producir durante ese tiempo más energía que la consumida. En concreto, una ganancia de energía de Q=10 es el objetivo buscado. Fíjate que 500 MW es la mitad de la potencia de una central nuclear de fisión clásica (p.ej. Ascó en España tiene dos reactores de 1000 MW cada uno), pero hay que tener en cuenta el nivel de inmadurez total de esta nueva tecnología.

The ITER complex, with the reactor building at the right (the highest one). Pictures of the actual construction works are available online (Source: [3])

El complejo ITER, con el edificio del reactor a la derecha (el más alto).  (Fuente: [3])

A pesar de los recortes presupuestarios a que el proyecto ha tenido que hacer frente por la crisis financiera desde 2008, la planificación [2] mantiene que se generará el primer plasma para 2020. Después, el reactor nuclear más grande del mundo se usará para realizar experimentos científicos con la idea de madurar la tecnología hasta el punto de que en 2030-2050 se pueda ir planificando la construcción de los primeros reactores comerciales. En realidad, el proyecto para la segunda generación de reactores ya tiene nombre (DEMO), y se pretende que proporcionen 2000 MW de potencia de manera ininterrumpida, superando por tanto a los actuales reactores de fisión.

Schedule of ITER project, as of 2008 (Source: [2])

Planificación de ITER allá por el 2008 (Fuente: [2])

Ahora mismo, controlar una reacción termonuclear para generar electricidad representa un reto tan titánico que ninguna nación puede conseguirlo por sí misma. Tal y como ocurre en el bestseller de ciencia ficción Contact (del celebérrimo Carl Sagan), construir una máquina gigante parece ser una de las pocas maneras de hacer que la mayoría de los países industrializados del mundo se pongan de acuerdo y cooperen: China, la Unión Europea (EU), India, Japón, Corea, Rusia y EEUU, todos han firmado el acuerdo de colaboración y llevan años trabajando juntos en una única dirección. En realidad, y por increíble que parezca, el proyecto se remonta a un acuerdo entre EEUU y la Unión Soviética en 1985, en plena Guerra Fría. Al fin y al cabo, el hecho de que el petróleo se tiene que acabar algún día y las ventajas estratégicas de no depender de él son tan grandes que ni siquiera los políticos pueden ignorarlo.

 

Anti-seismic concrete basements being installed in the ITER placement, in Cadarache (France) (Source: ITER.org)

Pilares anti sísmicos en las obras del ITER (Cadarache, Francia). (Fuente: ITER.org)

La idea es que cada nación diseñe y construya sólo pequeñas porciones de cada componente de la máquina, de manera que en el futuro todas tengan el know-how para instalar reactores comerciales.  “Fusion for Energy” es la que agencia que representa a toda la EU en el proyecto, y tiene su base en Barcelona. El emplazamiento de esta agencia parece ser la única asignación a nuestro páis, después de que Francia ganara en 2005 el concurso a España para construir la máquina en su territorio. Ahora mismo, las obras ya han empezado en el centro de investigación de Cadarache, al sur del país y cerca de Niza.

 

Energía termonuclear en la Tierra

La energía nuclear es sin duda la fuente más importante de energía de la Naturaleza. Nuestro sol y todas las otras estrellas brillan durante la mayor parte de sus vidas precisamente por las reacciones nucleares en sus núcleos. A través de radiación directa, la energía del sol llega a nuestro planeta y calienta los océanos, haciendo posible la existencia de nieve, lluvia y ríos. Además, es la fuente primaria de toda la energía biológica, ya que la glucosa se sintetiza a través de fotosíntesis en las plantas verdes.

El hidrógeno, el elemento más abundante del Universo, es el componente básico de la mayoría de las estrellas. En su forma o isótopo básico, consiste en un único protón, que atrae a un electrón para formar el átomo eléctricamente neutro más sencillo de todos (1H).

Hydrogen-1

El cosmos tiene reservas inmensas de hidrógeno que, eventualmente, acaban acumulándose por efecto de la gravedad formando, por ejemplo, planetas gaseosos gigantes como Júpiter. Si se sigue acumulando hidrógeno, llega un momento en que la presión interna en el centro del cuerpo es tan elevada que su temperatura alcanza los  4 millones de Kelvin (4 MK), el requisito para que comience una reacción termonuclear en cadena. Así es como nacen las estrellas y empiezan a brillar.

La manera concreta en que esta reacción ocurre en las estrellas como el sol se llama reacción en cadena pp (protón-protón). Como dijimos antes, requiere de muy altas temperaturas para que hidrógeno se convierta en plasma, donde los núcleos se separan de los electrones y la mezcla se convierte en un vibrante cóctel de protones (p) y electrones. A pesar de la fuerte repulsión eléctrica que sienten los protones entre sí, las altas temperaturas hacen que cojan tanta velocidad que, muy raramente pero a veces, ocurran colisiones protón-protón (pp).

The proton-proton chain occurring inside a small to mid-sized star (v are neutrinos and γ are gamma rays) (Source: Wikimedia commons).

La cadena protón-protón que ocurra en las estrellas de tamaño medio(v son neutrinos y γ rayos gamma) (Fuente: Wikimedia commons).

En el proceso, dos protones (los núcleos de dos átomos de 1H) primero colisionan entre sí, fusionándose en un núcleo de Deuterio. El Deuterio (2H) sólo contiene un protón y un neutrón. La carga eléctrica se mantiene durante el proceso ya que se emite un antielectrón (o positrón), que se lleva la falta positiva que falta. Los nucleos de Deuterio, que son estables, en algún momento acaban colisionando con otro núcleo de 1H, fusionándose ahora en un nuevo elemento: Helio (3He). En el proceso, se libera energía en forma de rayos gamma y energía cinética. Exactamente, la energía liberada coincide con una pequeña cantidad de masa que “desaparece”, según E=mc2. El resto del proceso no nos interesa aquí, pero la cosa es que el Helio ligero (3He) acaba fusionándose con otros elementos y da lugar al isótopo de Helio común (4He).

The three Hydrogen isotopes relevant for our discussion. From left to right: "common" Hydrogen (with a one proton nucleus), Deuterium (one proton and one neutron) and Tritium (two neutrons).

Los tres isótopos de Hidrógeno que aparecen en este artículo. De izquierda a derecha: Hidrógeno “común” (con un núcleo de un protón), Deuterio (un protón y un neutrón) y Tritio (dos neutrones).

Desafortunadamente, esta reacción en cadena es buena para que ocurra en las estrellas, pero las fusiones 1H+1H and 2H+1H son muy imprácticas como fuentes de energía aquí en la Tierra. El motivo es que la fusión de dos núcleos de 1H en Deuterio es extremadamente improbable. De las (ya de por sí improbables) colisiones de dos protones, menos del 0.1% acaban generando Deuterio. Sólo gracias a las inmensas cantidades de materia y a la enorme contención gravitacional de las estrellas es posible que nuestro sol convierta millones de toneladas de Hidrógeno en Deuterio cada segundo.

Por eso, los científicos están de acuerdo en que 4 millones de grados no son suficientes si queremos tener fusión nuclear por aquí abajo.

En cambio, existe una reacción de fusión más eficiente entre el Deuterio (2H) y el Tritio (3H), dos isótopos de Hidrógeno. En lugar de usar millones de toneladas de gas como en las estrellas, podemos alimentar un reactor con sólo unos pocos gramos de esta mezcla de combustibles. El precio a pagar: hay que calentarlo hasta CIENTOS de millones de grados. Y por supuesto, la mezcla debe permanecer bien controlada dentro de algún contenedor, lo que, como veremos, no es sencillo.

Usando este planteamiento, el Deuterio y el Tritio colisionan, fusionándose en un núcleo de Helio (4He). El neutrón que sobra sale despedido a muy altas velocidades (14.1 MeV de energía cinética), correspondiendo de nuevo a la pérdida de masa durante la fusión. Calentar agua con esos neutrones calientes es el sencillo objetivo de un reactor de fusión termonuclear.

Deuterium-Tritium nuclear reaction (Credits: Public domain)

Reacción nuclear Deuterio-Tritio (Créditos: Dominio público)

 

¿Dónde podremos encontrar el combustible para estos reactores? 

Bueno, el Deuterio es relativamente abundante: el 0.016% del Hidrógeno en la Tierra es Deuterio. Así que tenemos toneladas de él en el agua de los océanos, en lo que se llama agua pesada. No es radiactivo y no existen riesgos en su almacenaje ni manipulación. El Tritio, en cambio, sí que es radiactivo y apenas existe en la Naturaleza porque su vida media es de sólo 12 años. Sin embargo, se puede sintetizar en otros reactores nucleares y de hecho ya se produce comercialmente hoy día, usándose por ejemplo para la fabricación de luces auto-alimentadas (sin pilas).

A pesar de ser la mejor candidata a reacción de fusión nuclear a usar en un reactor, necesita como dijimos temperaturas de más de 100 millones de grados para iniciarla. En comparación, la superficie del Sol está a “sólo” 6000 ºC, y su núcleo a menos de 16 millones de Kelvin. La caja a la que Gennes se refería en la cita de arriba deber ser por tanto tan robusta como para guardar material ¡¡10 veces más caliente que el centro del sol!!

Una vez que la fusión comienza, parte de la energía cinética producida en cada reacción sigue calentando el resto del plasma, llegando un punto en que el plasma se convierte en autosostenido. Controlar este proceso está aún en el límite del estado del arte de la ciencia, y es la razón porque la que tenemos que construir ITER para continuar experimentando.

The Deuterium-Tritrium (D-T) reaction rate as a function of the temperature, where it can be seen the maximum efficiency near 800 MK (Source: Wikimedia Commons)

El ritmo de la reacción D-T como una función de la temperatura, donde se ve que la máxima eficiencia se alcanzaría sobre los 800 millones de grados. (Fuente: Wikimedia Commons)

Controversia

Antes de entrar en los detalles técnicos de cómo los científicos están intentando superar las inmensas dificultades que se presentan en ITER, es inevitable anticipar el rechazo de algunos sectores de la población ante cualquier tecnología con la palabra “nuclear”. Especialmente después del accidente de 2011 en Fukushima, un completo desastre que aún está muy lejos de estar controlado tras dos años de esfuerzos.

Sin embargo, los reactores de fusión son esencialmente diferentes de los de fisión, como los de Fukushima y el resto de plantas nucleares, debido a:

  • Si existe algún tipo de fallo en el confinamiento del plasma, la reacción se detiene inmediatamente. No puede existir una “fusión del núcleo”. En comparación, los actuales reactores de fisión no pueden pararse. Literalmente. Los reactores accidentados de Fukushima aún produce Megavatios de calor dos años tras el desastre, porque no existe método físico de detenerlo, sólo se le puede echar agua encima para enfriarlo 24 horas al día.
  • Sólo se requieren unos pocos gramos de combustible nuclear en cada instante. En el catastrófico caso de tener una fuga, sólo existirían efectos en las inmediaciones y serían mínimas en comparación con otros accidentes históricos en plantas de fisión.
  • El más pequeño erroe en el confinamiento magnético del plasma hará que éste toque las paredes. Sí, es cierto que las paredes se volverán radiactivas pero la reacción parará inmediatamente, debido al requisito de pureza del plasma que sostiene la fusión. Por lo tanto, no hay posibilidad de que la cámara se funda y deje escapar el plasma.
  • Apenas habrá residuos radiactivos. Solamente habrá que tener cuidado con las partes de la cámara de vacío que están expuestas al flujo de neutrones calientes, ya que los residuos de la reacción en sí son Helio (un gas inocuo) y los electrones calientes en sí que se usarán para calentar agua. Sí que es cierto que uno de los combustibles (Tritio) podría ser peligroso y debe ser almacenado con cuidado, pero sólo entre su producción y el consumo: no existirán residuos radiactivos que almacenar por siglos, como ocurre con el combustible agotado de los reactores actuales.

 

Retos

En las siguientes entradas de esta serie iremos describiendo todo tipo de peculiaridades  y dificultades técnicas que rodean la construcción de ITER: manipuladores robóticos y electrónica que debe soportar enormes campos magnéticos, paredes resistentes a radiación, … ¡Nadie dijo que meter el sol en una caja fuera a ser fácil!

 

Referencias:

[1] J. E. T. Team (1992). Fusion energy production from a deuterium-tritium plasma in the JET tokamak. Nuclear Fusion, 32(2), 187.

[2] Holtkamp, N. (2009). The status of the ITER design. Fusion Engineering and Design, 84(2), 98-105.

[3] International Atomic Energy Agency. “ITER Technical basis”, Vienna, 2002.

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