Skip to main content

El proyecto de fusión nuclear ITER pasa a una fase clave: el montaje final

Simulación visual del funcionamiento del ITER
(Image credit: Jamison Daniel, Oak Ridge Leadership Computing Facility)

El proyecto de construcción del reactor de fusión nuclear ITER ha entrado en su fase 3: el montaje final de la máquina. Aquí te explicamos qué significa esto para un proyecto vital para el futuro de la humanidad.

El International Thermonuclear Experimental Reactor es un proyecto internacional que comenzó en octubre de 2007. Su objetivo es conseguir la fusión nuclear, la misma energía que alimenta a las estrellas. De tener éxito, será vital para nuestra supervivencia y la del planeta, ofreciendo una fuente de energía limpia al 100%, sin residuos y virtualmente ilimitada que cambiará la faz de la tierra.

Cómo funciona la fusión nuclear

La fusión nuclear es el contrario la fisión nuclear que actualmente utilizamos en centrales nucleares. En la fisión, se separa un elemento pesado como el uranio liberando energía en una reacción en cadena que calienta el agua hasta que se transforma en vapor, moviendo turbinas que generan electricidad.

En la fusión nuclear, sin embargo, los núcleos de dos o más átomos se fusionan entre sí, dando como resultado el núcleo de un nuevo elemento químico y la emisión de energía. Para que esto sea posible, los núcleos deben unirse con una fuerza enorme que permita vencer la repulsión electromagnética entre los átomos. En la naturaleza, éste es el mecanismo que da vida de las estrellas. El proceso genera una cantidad enorme de energía, que se libera en forma de radiación en todo el espectro, incluyendo la luz visible, ultravioleta e infrarroja, así como rayos cósmicos y otras partículas de alta energía. El proceso — que se inicia en el centro de la estrella por la enorme presión de la masa que forma la estrella — también evita que estos cuerpos celestes se derrumben sobre sí mismos bajo el peso de su propia gravedad.

La imagen de arriba representa la llamada "cadena protón-protón", el proceso nuclear con el que los núcleos de hidrógeno se transforman en núcleos de helio con la consiguiente emisión de energía.

La imagen de arriba representa la llamada "cadena protón-protón", el proceso nuclear con el que los núcleos de hidrógeno se transforman en núcleos de helio con la consiguiente emisión de energía. (Image credit: HeNRyKus)

¿Podría el aleteode una mariposa en Brasil provocar un tornado en Texas?

Edward Norton Lorenz

Cuando Ernest Rutherford, Marcus Oliphant y Paul Harteck realizaron experimentos en 1934, se sorprendieron al descubrir que, al bombardear hidrógeno pesado (deuterio, un isótopo del hidrógeno) con deutones (núcleos de deuterio), ocurría un fenómeno extremadamente curioso, generando tritio, helio-3 y energía. Su experimento logró las primeras reacciones de fusión nuclear en el laboratorio.

Desde entonces se han invertido cada vez más recursos y energía para encontrar una forma de explotar estas reacciones nucleares con el fin de producir energía. En particular, los investigadores se enfrentaron a dos problemas principales. El primero es la identificación de reacciones que ocurren a “baja” (relativamente) temperatura. El segundo, lograr un balance positivo del reactor entre la energía que se utiliza para fusionar los átomos, los campos de contención magnética y la energía neta que se genera.

Las reacciones que tienen lugar en el interior de las estrellas requieren energías umbral y, por tanto, temperaturas demasiado elevadas que los materiales actuales no pueden soportar sin destruirse. Por eso, en estos momentos los esfuerzos para conseguir la fusión nuclear con balance positivo de energía están centrados en el estudio de una reacción particular, la fusión deuterio-tritio (D - T). En este caso el umbral de energía requerido es “sólo” de 20KeV — 200 millones de grados Kelvin. A estas temperaturas los átomos pierden sus electrones, se ionizan y alcanzan un nuevo estado de la materia: el plasma.

Aún así, contener esta reacción y el plasma no es posible con los materiales actuales, por lo que científicos e ingenieros deben usar campos electromagnéticos muy fuertes. 

Este diagrama muestra la velocidad de reacción promedio — o más bien cuántas reacciones ocurren de media por segundo — entre varios átomos en función de la temperatura en una escala logarítmica. En particular, las reacciones analizadas son: deuterio-tritio (D - T), deuterio-deuterio (D - D), deuterio-helio3 (D - He3) y tritio-tritio (T - T). Como se puede ver en el gráfico, la reacción deuterio-tritio alcanza su máximo alrededor de los 70KeV y luego disminuye lentamente, mientras que las otras reacciones alcanzan su punto máximo a temperaturas mucho más altas.

Este diagrama muestra la velocidad de reacción promedio — o más bien cuántas reacciones ocurren de media por segundo — entre varios átomos en función de la temperatura en una escala logarítmica. En particular, las reacciones analizadas son: deuterio-tritio (D - T), deuterio-deuterio (D - D), deuterio-helio3 (D - He3) y tritio-tritio (T - T). Como se puede ver en el gráfico, la reacción deuterio-tritio alcanza su máximo alrededor de los 70KeV y luego disminuye lentamente, mientras que las otras reacciones alcanzan su punto máximo a temperaturas mucho más altas. (Image credit: Wikigian)

La contención magnética no es problema. Tenemos la tecnología. El problema está en el rendimiento. De momento, todavía no se ha podido construir un reactor que produzca más electricidad de la que consume para alimentar los electroimanes y los sistemas auxiliares del reactor de fusión.

El principal parámetro que utilizan los científicos para evaluar el balance energético de un reactor se llama parámetro de Lawson (Q) y el valor máximo alcanzado hasta ahora es Q = 0,67 donde el valor 1 representa la condición de equilibrio. Obtener este valor significaría que se utiliza tanta energía como la que produce el reactor. En otras palabras: todavía queda mucho trabajo para alcanzar rendimientos superiores a 1. Sin pasar ese límite, la fusión nuclear es inútil.

Las buenas noticias es que esto podría cambiar si el ITER tiene éxito cuando se ponga en marcha: las proyecciones de las simulaciones con super-computadores estiman que el ITER conseguiría un Q de 10. Es decir: que por cada vatio consumido, el ITER producirá un balance neto de 9. O de otra forma: multiplicaría por 10 la energía invertida en su funcionamiento.

El nacimiento y evolución del ITER

Tokamak ITER

Tokamak ITER (Image credit: ITER Organization)

Como todos los grandes proyectos internacionales, ITER — siglas que también significan "camino" en latín — nació y evolucionó durante décadas. De hecho, el primer consorcio internacional destinado a construir un nuevo tipo de reactor capaz de explotar la fusión nuclear se fundó hace más de treinta años entre Europa, Japón, Estados Unidos y la Unión Soviética. Después se unieron India, China y Corea del Sur.

El camino hasta la fase 3 del ITER ha sido duro. Problemas de planificación y gestión han retrasado el inicio de operaciones y han provocado una revisión sustancial del presupuesto que hasta la fecha se sitúa en unos 23.725 millones de dólares. Sin embargo, tras la llegada de su nuevo director general — Bernard Bigot — en 2015, una revisión radical del proyecto condujo a ITER a un nuevo plano de ejecución.

Este programa revisado marcó un punto de inflexión para la construcción del ITER. En junio de 2016, el Consejo de Administración anunció oficialmente que el encendido del primer plasma de hidrógeno sucederá en 2025 y que el trabajo para hacerlo está completo en un 70%.

A principios de este año, el edificio tokamak — es decir, la máquina toroidal en la que se crea y mantiene el plasma — se entregó a la Organización ITER. También se instaló la base criostática de 1.250 toneladas con una precisión de montaje de sólo tres milímetros — una cifra que parece imposible y de la que pocas máquinas masivas — como el acelerador de partículas del CERN— pueden presumier. 

Con la llegada de los primeros componentes claves — como las bobinas de campo magnético — se pasó de la fase construcción de la infraestructura al montaje de las máquinas, un hito que se celebró el 28 de julio.

El reactor ITER se está construyendo en la localidad de Saint-Paul-lès-Durance, en la Provenza francesa.

El reactor ITER se está construyendo en la localidad de Saint-Paul-lès-Durance, en la Provenza francesa. (Image credit: ITER Organization/EJF Riche)

Los siguientes pasos clave son la puesta en servicio de la planta criogénica de helio líquido y el premontaje de los nueve sectores de los recipientes de vacío con dos bobinas de campo magnético toroidal cada uno y el blindaje térmico. Está previsto que el primer módulo se instale a finales de año.

Se espera que el primero de los seis imanes que componen el solenoide central sea enviado desde Estados Unidos a Francia hacia finales de año. El solenoide será el último componente principal que se instalará antes de que comience el primer periodo de prueba en 2024. Después vendría a puesta en marcha del primer plasma de fusión.

Estas fechas podrían cambiar debido a la pandemia de COVID-19. De hecho, las obras se han reducido y se han implementado varias medidas de precaución de seguridad. El cierre temporal de talleres o fábricas llevadas a cabo por los estados miembros individuales podrían también retrasar la entrega de componentes críticos para el reactor.

El buen avance de las obras en los últimos años y la creciente preocupación por el cambio climático en la opinión pública hace que haya subido el interés y los esfuerzos para que el ITER entre en acción tan pronto como sea posible.

Después de la ignición del primer plasma, vendrá la instalación de componentes críticos para el funcionamiento de la fusión deuterio-tritio — como la calefacción suplementaria o un sistema de reciclaje de combustible. Estos pasos prepararán la máquina para su objetivo final: lograr una reacción de fusión estable en 2035. 

Queda mucho tiempo, pero merece la pena aunque el ITER no será la solución inmediata al problema de la energía limpia y barata. El éxito de este proyecto es fundamental para el diseño de la próxima generación de reactores de fusión. Los científicos ya están pensando en el futuro, con la puesta en marcha de proyectos conceptuales de tokamaks capaces de proporcionar energía sostenible para distribuirla a escala mundial. El camino hacia un futuro con energía segura y sostenible parece claro. Ahora sólo queda que todo salga como apuntan las simulaciones.