Como anillo al dedo. La fisión nuclear ha demostrado que puede producir energía sin gases de efecto invernadero: las aproximadamente 440 centrales nucleares que funcionan en 31 países de todo el mundo tienen una capacidad conjunta para generar unos 370 gigavatios de energía eléctrica, o lo que es lo mismo, un 15% del total global. Pero la energía de la fisión también produce toda una serie de residuos nucleares radiactivos a los que hay que añadir plutonio en grado bomba, unas 12.000 toneladas de residuos anuales en todo el mundo. Es un problema de desechos considerable.
La fusión termonuclear, en cambio, promete generar una cantidad de energía limpia aún mayor. Pero hasta ahora ninguna reacción de fusión provocada por el hombre ha producido más energía de la utilizada para producirla.
La fusión termonuclear, en cambio, promete generar una cantidad de energía limpia aún mayor. Pero hasta ahora ninguna reacción de fusión provocada por el hombre ha producido más energía de la utilizada para producirla.
Lo que genera la fusión, sin embargo, son neutrones. Y aquí es donde todo encaja como anillo al dedo: los neutrones procedentes de la fusión podrían quemar los residuos de la fisión casi completamente, dejando un residuo reducido tanto en volumen como en radiactividad. Así que ¿por qué no combinar los dos en un reactor híbrido fusión-fisión y dejar que cada tecnología resuelva los problemas de la otra?
Las plantas de reelaboración, como la de la central nuclear de Olkiluoto en Finlandia, sólo reducen el volumen de residuos de la fisión en un factor de dos o tres.
Hay varios motivos que lo desaconsejan. Uno es que nadie sabe cómo hacerlo. Construir un reactor de fusión es lo bastante complicado como para intentar hacerlo dentro de un reactor de fisión nuclear, por eso los híbridos actuales son tan sólo diseños en papel. También está el factor de riesgo no cuantificado: un reactor híbrido situaría casi inevitablemente un plasma termonuclear potencialmente inestable junto a productos de fisión radiactivos.
Aun así, un número creciente de investigadores de todo el mundo están convencidos de que merece la pena intentar solucionar esos retos porque la energía de la fusión pura no lo está haciendo mejor y los montones de residuos de la fusión van acumulándose cada vez más deprisa. Tras décadas de estancamiento por la preocupación sobre la seguridad y los residuos, la industria de la energía de fisión parece estar a punto de renacer. La necesidad de cortar las emisiones de gases de efecto invernadero y de reducir la dependencia de los combustibles fósiles ha llevado a enemigos acérrimos de la energía nuclear como Italia y Suecia a invertir embargos de años contra la construcción de nuevas centrales nucleares. Finlandia, Francia y Reino Unido están preparando nuevos programas de construcción de reactores. China prevé construir entre 40 y 50 centrales de fisión en las dos próximas décadas. La Comisión de Reglamentación Nuclear de los Estados Unidos ha recibido solicitudes de licencia para la construcción de otros 26 reactores en ese país, que ya cuenta con 104. Y en todo el mundo hay unas 45 centrales de fisión en construcción.
Obviamente se necesita un plan para solucionar el incremento de residuos nucleares. Normalmente esos planes se centran en enterrar los residuos a gran profundidad. La pregunta es ¿dónde?
La eliminación de residuos puede ser un problema muy sensible desde el punto de vista político. Por ejemplo, durante más de dos décadas se pensó en un emplazamiento en Yucca Mountain, Nevada, como cementerio nacional para el combustible nuclear gastado. Pero el plan suscitó tal resistencia entre los residentes y los políticos que el secretario de Energía de Estados Unidos, Steven Chu, anunció en marzo que se descartaba la construcción del depósito subterráneo. En un futuro inmediato, el combustible gastado de las centrales nucleares de Estados Unidos seguirá almacenándose en ellas.
Muchos países reducen el volumen de residuos en un factor de dos o tres reprocesando el combustible gastado, es decir, extrayendo los isótopos de uranio y plutonio que puedan seguir fisionándose y transformándolos en nuevos elementos combustibles. Pero el reprocesado es caro, ineficiente y plantea un riesgo de proliferación nuclear: el plutonio extraído se puede utilizar en armas atómicas. Además, sigue dejando toneladas de residuos altamente radiactivos que hay que eliminar.
Por todo ello los reactores híbridos vuelven a verse con buenos ojos.
RAÍCES NUCLEARES
La idea de los híbridos se remonta a los años cincuenta, cuando los ingenieros nucleares intentaban aprovechar las reacciones atómicas para generar energía eléctrica.
Ya conocían el problema de los residuos debidos a la propia naturaleza de la reacción de fisión. La reacción comienza cuando un neutrón choca contra el núcleo de un isótopo fisible como el uranio-235 o el plutonio-239, produciendo su división. El resultado es un par de núcleos más ligeros, un torrente de energía y unos cuantos neutrones nuevos. La energía puede extraerse en forma de calor y utilizarse para impulsar una turbina eléctrica. Pero para mantener la reacción de fisión algunos de los neutrones recién creados deben colisionar con otros núcleos fisibles haciendo que se dividan y liberen aún más neutrones en una reacción en cadena. Esto sucede fácilmente mientras el combustible sea nuevo y los neutrones no puedan chocar contra nada más. Sin embargo, a medida que se suceden las reacciones el combustible acumula más núcleos producto de la fisión que en su mayoría absorben los neutrones sin hacer nada más. Al final se absorben tantos neutrones que la reacción en cadena ya no puede mantenerse llegando a un punto en el que el combustible pasa a ser un residuo, aunque la mayor parte del material fisible original siga estando allí.
Los ingenieros se dieron cuenta de que podían solucionar este problema completando la reacción en cadena con una fuente de neutrones independiente. Si hubiera suficientes neutrones utilizarían mucho más uranio y plutonio del combustible y también quemarían la mayoría de los productos de fisión radiactivos de vida larga, reduciendo los residuos considerablemente.
Así nació la idea del híbrido fusión-fisión, porque las reacciones de fusión –en las que varios isótopos de hidrógeno se fusionan para convertirse en núcleos de helio– producen un torrente de neutrones (uno por cada fusión). En principio, la construcción de un híbrido era simplemente una cuestión de envolver un manto de material fisible alrededor de un reactor de fusión y dejar que la energía fluyera
Ante estas dificultades en apariencia insuperables, la idea del híbrido se dejó en un cajón y los físicos dedicaron sus esfuerzos al desarrollo de reactores de fusión pura y fisión pura por separado. Excepto durante un breve intervalo de interés tras la crisis energética de finales de los años setenta, cuando el premio Nobel de física Hans Bethe intentó recabar apoyos para los híbridos, la idea ha permanecido en el cajón… hasta ahora.
Anatomía de un híbrido fusión-fisión. Un reactor de fusión, basado en un diseño toroidal, genera neutrones de alta energía que impulsan la fisión en el manto de material fisible circundante. Al colocar los residuos nucleares en este manto, en principio deberían quemarse todos los subproductos radiactivos de vida larga producidos en la fisión.
EL AVANCE DE LA FUSIÓN
Una de las razones de este optimismo renovado respecto a los híbridos es el medio siglo de progreso en la contención de plasma. Actualmente lo más habitual es confinar el plasma dentro de un dispositivo toroidal llamado tokamak que lo mantiene dentro de un campo magnético intenso. Una prueba de la dificultad de esta tarea es que la reacción de fusión más larga demostrada hasta la fecha, conseguida en 1997 en el Joint European Torus del Centro de Ciencia Culham de la Comisión de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA), cerca de Oxford, tan sólo duró unos segundos. Se generó una energía de fusión equivalente al 70% de la energía que se utilizó para producirla. Pero muchos científicos de la comunidad de la fusión tokamak creen que la próxima gran máquina –el Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER por sus siglas en inglés), que se construye en Cadarache, al sur de Francia– generará una energía hasta diez veces superior a la potencia absorbida.
Con 19 metros de ancho y 11 de alto aproximadamente, la vasija toroidal de confinamiento del ITER será dos veces mayor que la del Joint European Torus y, con un coste de construcción previsto de unos 10.000 millones de euros (14.000 millones de dólares), será uno de los experimentos más caros realizados hasta la fecha2,. No obstante, el proyecto ha sido criticado por sus sobrecostes y demoras, y no entrará en funcionamiento hasta 2018. Los experimentos para comprobar la viabilidad de la fusión para producir energía no empezarán hasta finales de 2026.
No obstante, afirmó Weston Stacey, profesor de ingeniería nuclear en el Georgia Institute of Technology de Atlanta, “la física y la tecnología que se van a desarrollar en el ITER son más que suficientes para construir una buena fuente de neutrones para un híbrido”.
Por eso Stacey, un activo promotor de la idea del híbrido, ha utilizado el diseño del ITER como base para el concepto de reactor de quemador avanzado subcrítico3,, un diseño híbrido de fusión-fisión en el que lleva trabajando con su equipo del Georgia Tech durante más de 10 años.
Weston Stacey: “Cuando tengamos el reactor de fusión, el problema será encajarlo todo”. G. Meek/Woodruff School Mech. Eng., Georgia Tech
“Uno de los problemas que tenían los diseños anteriores era que nadie que estuviera interesado en el híbrido había hecho un proyecto de ingeniería serio”, aseguró Jeff Freidberg, científico nuclear e ingeniero del Massachusetts Institute of Technology en Cambridge. “Pero el que quizá haya hecho el mejor trabajo hasta ahora sea Stacey, porque ha pasado mucho tiempo pensando la parte de ingeniería.”
China también sigue adelante con la idea del híbrido: es uno de los objetivos del Programa de Investigación y Desarrollo de Alta Tecnología. “De momento se trata fundamentalmente de cálculos para evaluar los diferentes diseños conceptuales para un híbrido”, declaró Jiangang Li, director de la Academia China del Instituto de Ciencias de Física de Plasmas en Hefei. Pero el gran empuje del país hacia la energía de fisión nuclear imprime urgencia al esfuerzo, añadió: “China tendrá que enfrentarse a la necesidad de reprocesar una gran cantidad de residuos radiactivos y a la escasez de combustible nuclear porque el país tiene unos recursos de combustibles de fisión relativamente escasos”.
Freidberg se muestra precavido sobre lo realista de muchas ideas que están surgiendo en este campo a corto plazo, pero es optimista sobre su contribución a más largo plazo. En concreto, cree que el híbrido posiblemente solucione algunos de los retos técnicos que plantea un reactor de fusión pura.
Como el núcleo de fusión de un híbrido sólo tendría que generar neutrones, por ejemplo, podría funcionar muy por debajo de los niveles de energía que un reactor de fusión pura necesitaría para funcionar y producir electricidad. Por tanto, el plasma en un dispositivo híbrido sería probablemente menos susceptible a la inestabilidad y otras disrupciones.
REALMENTE BESTIAL
Los niveles de energía más bajos también paliarían el problema de la “primera pared”: la dificultad de encontrar materiales para la pared interior del reactor de fusión que estará expuesta a un flujo tan intenso de neutrones de alta energía que probablemente tendrá que cambiarse después de un año o dos de funcionamiento. “El problema de esa primera pared es realmente bestial”, aseguró Freidberg.
Steven Cowley: “No digo que no se pueda hacer un híbrido, pero deberíamos centrarnos en llegar primero a la fusión pura”.Ukaea Culham
Sin embargo, no todos están convencidos. Steven Cowley, director del Centro de Ciencia Culham habla en nombre de muchos miembros de la comunidad de la fusión que se muestran escépticos ante la necesidad de revisar el concepto híbrido y que creen que es una distracción respecto al objetivo de la energía limpia y sostenible producto de la fusión pura.“No digo que no se pueda hacer un híbrido –declaró Cowley–. Pero si lo que necesitas va más allá de la capacidad del ITER, entonces deberías centrar tu atención en llegar a la fusión pura. Porque aunque en principio parezca más fácil, también hay que solucionar todos los demás problemas.”
MÁS ALLÁ DEL ITER
Los diseños híbridos no tienen que basarse en el ITER. Por ejemplo, un grupo de investigadores del Instituto de Estudios sobre Fusión de la Universidad de Texas en Austin sostienen que un híbrido práctico necesitaría un núcleo de fusión mucho más pequeño que el del ITER.
“Un reactor de fisión de agua ligera típico funciona aproximadamente a un gigavatio de energía eléctrica”, explicó Swadesh Mahajan, un experimentado investigador del instituto. Ese gigavatio se genera con un determinado volumen, lo que significa que el reactor tiene una densidad de potencia por unidad de volumen de tantos gigavatios. Resulta, añadió Mahajan, que ese número es cinco veces superior a la densidad de potencia del ITER. Esto plantea un problema para el diseño de un híbrido. Para que el manto de fisión capture los neutrones generados en la fusión eficientemente, el núcleo de fusión y el manto tienen que tener más o menos la misma densidad de potencia. Por lo que el sistema de fusión tiene que tener una densidad de potencia cinco veces mayor que la del ITER, afirmó Mahajan. Dicho de otra forma, el núcleo de fusión tiene que producir la misma cantidad de energía (y neutrones) en un volumen cinco veces menor.
El problema es que la densidad de potencia prevista en el ITER ya está en el límite de la tecnología actual. Estos límites vienen impuestos por los materiales utilizados para construir la salida de gases del reactor: el derivador. Los materiales tienen que soportar el gran volumen de gas a altísimas temperaturas que debe extraerse continuamente de su plasma.
Para solucionar este problema, al grupo de Mahajan ha inventado el Super-X Divertor4,. La idea consiste en diseñar los campos magnéticos alrededor de la salida de gases de un tokamak de tal forma que los gases calientes viajen una mayor distancia y puedan enfriarse antes de entrar en contacto con las consistentes paredes de la chimenea. De esta forma, el derivador puede tratar los gases de escape de tokomaks de mucha mayor densidad de potencia.
“Creo que el Super-X Divertor es un gran paso adelante. Un enorme paso adelante”, aseguró Cowley. Está entusiasmado ante la perspectiva de una fuente de neutrones compacta basada en las ideas de Mahajan, pero añadió que el trabajo sobre fusión de la UKAEA se centra en el ITER, y que no tiene interés en desarrollar un híbrido. “Con el Super-X Divertor podría conseguirse seguramente los dispositivos de gran potencia que el grupo de Texas necesita para su híbrido. Pero creo que servirá para algo más. Será el modelo del tipo de derivador que tendremos en cualquier reactor de demostración.”Además de probar el concepto de Super-X en sí mismo, una fuente de neutrones compacta construida con su ayuda podría utilizarse para desarrollar y probar los materiales necesarios para un reactor de fusión comercial. No obstante, añadir al ITER un derivador sin probar sería demasiado peligroso.
Swadesh Mahajan: “Nuestro dispositivo funciona con las formas de plasma que cualquiera de los científicos que trabajan con plasma puede producir en su laboratorio”. M. Millar
Con un reactor que pudiera ponerse y quitarse del manto de fisión de un híbrido, sostiene Mahajan, ya no habría que preocuparse sobre la estabilidad de los materiales que se utilizan para construirlo. Mahajan prevé que la parte de fusión de un dispositivo de ese tipo se desmonte al mismo tiempo que las barras de combustible de desecho del manto de fisión, aproximadamente cada dos años. Además, añadió, en la fase de pruebas de ese dispositivo, esta vida útil de dos años permitiría desarrollar la tecnología de las pilas a una velocidad mucho mayor que en un reactor convencional. “Si necesitáramos cinco iteraciones para mejorar la estabilidad de nuestro dispositivo, con un tiempo de rotación de sólo dos años, tardaríamos nada más que 10. Para otros diseños este mismo proceso llevaría 50 años.”
Este enfoque de Texas no sólo solucionaría los problemas de materiales, sino además de física del plasma. Para que ITER produzca diez veces más energía del plasma de fusión de la que se introduce habrá que generar temperaturas de plasma, densidades y tiempos de confinamiento sin precedente. Pero como el componente de fusión de un híbrido no tiene que producir energía, tan solo neutrones, las condiciones del plasma serán más sencillas.
“Como el Super-X Divertor se encarga del problema del flujo de calor, nuestro dispositivo funciona como el plasma convencional que cualquiera de los científicos que trabajan con plasma puede producir en su laboratorio”, afirmó Mahajan.
Además podría despejar la posible preocupación sobre la generación de un plasma termonuclear caliente en medio de un manto de residuos nucleares concentrados altamente radiactivos. “Aunque algo no fuera bien con el módulo de fusión de nuestro híbrido, las bobinas del campo toroidal del módulo, que están fabricadas de metal resistente, protegerán el manto de fisión de cualquier tontería que el plasma sea capaz de hacer”, añadió Mahajan. Esto no ocurriría en un diseño híbrido convencional en el que los componentes están estrechamente conectados.
El grupo de Texas está en conversaciones con grupos de la Universidad de Princeton en New Jersey y con el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee para investigar estas ideas.
Mahajan dice que considera su trabajo fundamental para reconstruir la capacidad de energía nuclear mundial: “Una de las cosas que defiendo –porque en 20 años estaremos listos para destruir los residuos– es que empecemos a construir reactores nucleares ahora. No esperemos. El ritmo al que se ha destruido la capacidad nuclear ha sido una estupidez monumental”. Si los científicos no empiezan a buscar con decisión esta forma de energía limpia, añade “ya podemos olvidarnos de solucionar el problema del calentamiento global. Habremos fastidiado magníficamente el planeta si no nos espabilamos”.
REFERENCIAS
1. Bethe, H. Phys. Today 32, 44-51 (1979).
2. Brumfiel, G. Nature 459, 488-489 (2009).
3. Stacey, W. M. et al. Nucl. Technol. 162, 53-79 (2008).
4. Valanju, P. M., Kotschenreuther, M., Mahajan, S. M. & Canik, J. Phys. Plasmas 16, 056110 (2009).
5. Kotschenreuther, M., Valanju, P. M., Mahajan, S. M. & Schneider, E. A. Fusion Eng. Design 84, 83-88 (2009).
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