Gigantes de la ciencia El Laboratorio Nacional de Fusión: atrapar la energía del Sol

En este episodio de Gigantes de la Ciencia viajamos a Madrid, donde visitamos el reactor de fusión de CIEMAT y descubrimos los secretos de la energía del futuro

Si miras alrededor, te darás cuenta de que casi toda nuestra energía proviene de una forma u otra del sol. Las plantas capturan la energía del sol a través de la fotosíntesis. El petróleo y el gas natural son restos enterrados de plantas prehistóricas. La energía del viento, los ríos y las olas del mar se la debemos a los cambios de temperatura que produce el sol en la superficie de la Tierra. Pero. ¿Y si tuviéramos acceso directamente a la energía del sol? ¿Si pudiéramos crear un sol en miniatura en la Tierra? Aunque no lo creas, eso ya está ocurriendo muy cerca de ti. Bienvenidos al Laboratorio Nacional de Fusión.

Esta infraestructura científica y técnica singular (ICTS) está en Madrid, en la sede del CIEMAT, el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas. Aquí, junto a la Universidad Complutense, hay un reactor de fusión nuclear, el TJ-II. La investigación del LNF, a nivel europeo e internacional, se centra en el estudio de los plasmas confinados a alta temperatura y por otro lado la tecnología necesaria para construir y operar los reactores de fusión: materiales, superconductores, generación de tritio, extracción de la energía, mantenimiento remoto, etc.

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«El Laboratorio Nacional de Fusión aborda uno de los grandes retos de la humanidad en el siglo XXI, que es imaginar y moldear el futuro de una sociedad que dispone de una nueva fuente de energía, la energía de fusión nuclear, de manera práctica», explica el director del LNF, el físico nuclear Carlos Hidalgo Vera. «La comunidad de fusión ya ha demostrado que conseguir la unión de núcleos ligeros para generar núcleos más pesados y que en ese proceso de reacción nuclear hay un déficit de masa que, multiplicado por la velocidad de luz al cuadrado (E=mc2), da una eficiencia energética que no tiene parangón. Es la más elevada que sucede en la naturaleza».

Carlos Hidalgo, director del LNF, en el TJ-II

La energía nuclear que usamos hoy en día es de fisión y se obtiene al dividir núcleos de átomos pesados como el uranio o el plutonio. Por el contrario, la fusión nuclear utiliza átomos ligeros como el hidrógeno, el elemento más simple y más abundante en el universo. Cuando dos átomos de hidrógeno se fusionan para crear uno de helio, se libera una enorme cantidad de energía. Sólo hay un inconveniente para convencer a los átomos de que se unan. Hay que reproducir las condiciones del interior del sol.

Fusión Nuclear: los átomos de hidrógeno pesado (deuterio y tritio) se fusionan para producir helio.

«Si pensamos en lo que necesitamos alcanzar para hacer un reactor de fusión nuclear viable, si nos damos cuenta de que necesitamos manejar la materia en condiciones extremas con temperaturas que son diez veces la temperatura del centro del sol y que necesitamos utilizar campos magnéticos intensos 100.000 veces el campo magnético terrestre. Sin entrar en muchos más detalles técnicos, creo que la sociedad entiende que esto no es fácil», dice Hidalgo. Este inmenso desafío hace que la competición entre países se transforme en cooperación. «Cuando nos enfrentamos a grandes retos, el pilar de la cooperación domina frente al de la competitividad. Yo creo que la historia de la fusión nuclear es una historia de gran cooperación internacional. Una vez que los científicos y tecnólogos son conscientes del gran desafío», añade.

En la actualidad, la fusión nuclear no es viable comercialmente porque todavía consumen más energía de la que produce la reacción de fusión. Pero hay un gran proyecto mundial para conseguirlo llamado ITER, del que el Laboratorio Nacional de Fusión forma una parte esencial. Según Carlos Hidalgo, «el objetivo de ITER es demostrar que podemos amplificar la energía. Un factor diez. Metemos una unidad y sacamos diez. Esos objetivos pensamos que son los que necesitamos, convencernos de que es una realidad científico tecnológica. El siguiente paso después de ITER será la construcción de una planta experimental de fusión nuclear, que es lo que llamamos demo».

La carrera por hacer posible la fusión nuclear es un ejemplo de cooperación internacional sin precedentes. Participan científicos e ingenieros de la Unión Europea, que representa un 45% del proyecto Estados Unidos, China, Japón, Corea del Sur, India y también Rusia y Ucrania. En el reactor podemos ver los componentes desarrollados por estos países.

«Todos los sistemas desarrollados y en operación en este stellerator TJ-II, todos tienen su historia», relata Hidalgo, señalando a una especie de enrome bobina que es un inyector de iones de cesio. «Es un sistema experimental desarrollado en colaboración con el Instituto de Física de Kharkiv en Ucrania y el Instituto Tecnológico de Kurchatov en Moscú, en Rusia. Es una colaboración que tiene más de 20 años, una exitosa colaboración que en las actuales circunstancias tiene un valor simbólico muy importante».

En el interior del reactor, a una temperatura de 150 millones de grados, la materia ya no es sólida, ni líquida ni gaseosa, sino plasma una sopa de iones y electrones de alta energía para que el plasma no se escape ni toque las paredes del reactor. Se atrapa dentro de un poderoso campo magnético. Precisamente el estudio del plasma es una de las misiones fundamentales del Laboratorio Nacional de Fusión dentro de ITER.

Representación del reactor ITER en la que se puede ver el campo magnético que contiene el plasma.

«Hay una transmisión inevitable de energía a la zona periférica», comenta Hidalgo. «Es uno de los grandes desafíos a los que se enfrenta la fusión nuclear. Se deposita en forma de partículas que pueden ser eventualmente energéticas y en forma de flujos de energía con una densidad de potencia que puede alcanzar valores de los diez 20 megavatios por metro cuadrado, que son valores realmente al límite de lo que la tecnología de materiales actual puede soportar».

Aunque la fusión nuclear se consiguió en laboratorio por primera vez en 1932, los obstáculos para su desarrollo hasta ahora son tecnológicos. Por eso es necesaria una colaboración muy estrecha entre físicos e ingenieros. Esto obliga a que el equipo del LNF sea multidisciplinar. «Tratamos todos los aspectos que son múltiples, que están involucrados para hacer de la fusión nuclear una fuente factible en el futuro. Somos aproximadamente 150 profesionales que incluyen ingenieros físicos y técnicos como comunidades dominantes. Pero somos 150 profesionales que estamos fuertemente conectados con una red de colaboradores en la academia, en las universidades y en centros de I+D nacionales, por una parte, y que estamos fuertemente conectados con una red industrial de colaboradores en una esfera distinta, pero absolutamente vital para el desarrollo de la fusión nuclear que es la industria».

La colaboración con la industria en España es uno de los grandes éxitos del LNF. Para Hidalgo, «esa estrategia, que creo que ha sido sensata y extremadamente exitosa, ha permitido que actualmente la industria española se posicione en el tercer lugar en el panorama europeo de contratos ganados, en la construcción de componentes de ITER, después de Francia, que es el anfitrión, y de Italia, con un volumen de contratos adjudicados a empresas españolas de orden de 1.300 millones de euros. Es un resultado que hace diez, 20 años nadie podía imaginar que sería una realidad».

La fusión nuclear es la promesa de una energía limpia y prácticamente inagotable. Los combustibles son los isótopos del hidrógeno deuterio que se extrae del agua de mar y tritio que se puede conseguir en aceleradores de partículas. No hay residuos peligrosos. A pesar de las altísimas temperaturas. Es imposible que un reactor de fusión explote porque utiliza cantidades mínimas de materia para producir energía. ¿La pregunta es llegará a tiempo esta energía para salvar el planeta del cambio climático?

«No, la energía de fusión no va a llegar tarde», afirma Carlos Hidalgo con rotundidad. «No va a ser ni siquiera la solución mágica. Va a ser un ingrediente adicional que se complementa con otras fuentes de energía. Todas son necesarias. Estamos desde hace ya años en una encrucijada energética, y está claro que las energías dominantes, que son de combustibles fósiles, que tienen estos efectos indeseables de gases con efecto invernadero, tenemos que abandonarlas».

Aún así queda camino por recorrer. Para Hidalgo, «no hay soluciones mágicas. Yo creo que todas las fuentes de energía van a ser necesarias. Van a ser necesarias las energías verdes solar, eólica, que para implementarlas adecuadamente necesitan desarrollos y resolver cuestiones abiertas en el almacenamiento de energía. Y hacen falta nueve nuevas fuentes de energía masivas como la fusión nuclear». Para el director del LFN, se trata de un necesario servicio a la humanidad: «No olvidemos que en esta encrucijada energética, hay dos nuevos ingredientes que lo dominan todo. Uno es el aspecto demográfico. Grandes países emergentes. India. Más de 1.000 millones de personas que tienen derecho a mejorar su nivel de vida, y que requieren recursos energéticos ingentes porque son cantidades ingentes de seres humanos. Y el segundo factor es el derecho que tienen todos los seres humanos en alcanzar niveles de dignidad, y el nivel de bienestar de nuestra sociedad está fuertemente correlacionado con el consumo energético».

Hay un chiste entre los científicos que dice que estamos a 30 años de tener energía de fusión y que siempre lo estaremos. Sin embargo, hay muchas señales de que la meta está más cerca que nunca. Para Carlos Hidalgo, es necesario tomar perspectiva antes de caer en el pesimismo: «Siempre que se habla de la escala de tiempo para hacer realidad nuestros sueños, menciono al gran Leonardo Da Vinci. Quizás mucha gente no sabe que hubo un sueño en la vida de Leonardo da Vinci, que fue volar. Hizo diseños que nunca funcionan. Hicieron falta 500 años para que el ser humano captara la imagen que yo creo que es la más impresionante de la historia de la humanidad. Cuando la nave espacial Voyager en los años 1970 alcanza los límites del sistema solar, la cámara de la nave da la vuelta y hace esa foto emblemática que es una gran oscuridad, con un punto azul pálido que hay que fijarse para encontrarlo, que es nuestro planeta».

Un punto azul pálido. Fuente: NASA

«Ahora todo va más rápido», explica Hidalgo. «Ahora, al ritmo de la innovación, de la tecnología, no sucede en 100 años. Ahora sucede en unos pocos años. Pero el mensaje es que para hacer sueños, al límite de la posible, realidad, hay que tener paciencia, hay que poner esfuerzo, hay que poner recursos y hay que tener políticas sostenidas para que esos sueños sean realidad. Está muy bien que una generación trabaje para que otra generación se beneficie de los desarrollos y quizás los tiempos que vivimos de inmediatez, no está mal recordar».

Carlos Hidalgo se despide con un pronóstico: Y2a no tendremos que esperar centenares de años. La fusión nuclear debe estar en nuestras manos, operativa en la segunda mitad del siglo XXI».

¿Llegaremos a ver un mundo con energía limpia e inagotable? La respuesta está en manos de los investigadores que trabajan sin descanso en centros como el Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT, un verdadero gigante de la ciencia.

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