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¿Qué es la fusión y por qué es tan difícil de lograr?

Irena Chatzis, Matteo Barbarino

La energía del Sol, así como la de todas las demás estrellas, proviene de una reacción denominada fusión nuclear. Si se consiguiera replicar en la Tierra, dicha fusión nuclear podría proporcionar una cantidad prácticamente ilimitada de energía limpia, segura y asequible para satisfacer la demanda energética mundial. (Imagen: NASA/SDO/AIA)

Hace 500 años, la civilización azteca, en el actual territorio de México, creía que el Sol y toda su energía se sustentaban con sangre procedente de sacrificios humanos. Hoy sabemos que la energía del Sol, así como la de todas las demás estrellas, proviene de una reacción denominada fusión nuclear. Si se consiguiera replicar en la Tierra, la fusión nuclear podría proporcionar una cantidad prácticamente ilimitada de energía limpia, segura y asequible para satisfacer la demanda energética mundial.

¿Cómo funciona exactamente la fusión nuclear? Dicho de manera simple, la fusión nuclear es el proceso mediante el cual dos núcleos atómicos ligeros se combinan para formar un solo núcleo más pesado y se emiten al mismo tiempo enormes cantidades de energía. Las reacciones de fusión se producen en un estado de la materia denominado plasma: un gas caliente y dotado de carga, compuesto por iones positivos y por electrones que se desplazan libremente, y con propiedades únicas que lo distinguen de los sólidos, los líquidos y los gases.

Para poder fusionarse en nuestro Sol, los núcleos necesitan colisionar unos contra otros a temperaturas altísimas, de más de 10 millones de grados Celsius, lo cual les permite vencer su repulsión eléctrica mutua. Una vez que los núcleos vencen esa repulsión y se encuentran a muy escasa distancia unos de otros, la fuerza nuclear atractiva entre ellos será mayor que la repulsión eléctrica y podrán fusionarse. Para que esto ocurra, los núcleos han de estar confinados en un espacio pequeño, donde se incrementarán las posibilidades de colisión. En el Sol, la presión extrema producida por su inmensa gravedad genera condiciones propicias para que se produzca la fusión.

Las reacciones de fusión producen una cantidad de energía muy elevada —cuatro veces superior a la de las reacciones de fisión nuclear— y pueden ser la base de los futuros reactores de fusión. Está previsto que los de primera generación empleen una mezcla de deuterio y tritio, que son tipos pesados de hidrógeno. En teoría, con apenas unos pocos gramos de estos reaccionantes reactivos se puede producir un terajulio de energía, que más o menos equivale a las necesidades energéticas de una persona en un país desarrollado a lo largo de sesenta años.

Las futuras centrales nucleares de fusión se alimentarán con una mezcla de deuterio y tritio, dos isótopos del hidrógeno. En el interior del reactor, los núcleos de deuterio y tritio colisionan y se fusionan, liberando helio y neutrones. (Imagen: OIEA/M. Barbarino)

Objetivo: alcanzar las estrellas

Si bien la enorme fuerza gravitatoria del Sol induce de manera natural la fusión, para lograrla en ausencia de dicha fuerza se precisa más temperatura. En la Tierra, necesitamos temperaturas superiores a los 100 millones de grados Celsius y una intensa presión para conseguir que el deuterio y el tritio se fusionen, así como un confinamiento suficiente para retener el plasma y mantener una reacción de fusión durante un lapso lo suficientemente prolongado como para obtener una ganancia de potencia neta, que se refiere a la relación entre la energía de fusión producida y la energía utilizada para calentar el plasma.

Aunque en los experimentos actuales se logran habitualmente condiciones muy cercanas a las necesarias en un reactor de fusión, es preciso mejorar las propiedades de confinamiento y la estabilidad del plasma. Científicos e ingenieros de todo el mundo siguen poniendo a prueba nuevos materiales y diseñando nuevas tecnologías con miras a lograr la energía de fusión.

En más de 50 países se está investigando acerca de la fusión nuclear y la física del plasma, y en muchos experimentos se han logrado con éxito reacciones de fusión, aunque sin demostrar una ganancia de potencia de fusión neta. El tiempo necesario para recrear el proceso de las estrellas dependerá de la movilización de recursos por medio de alianzas y colaboración a escala mundial.

Una historia de colaboración

Desde que en la década de 1930 se comprendió la fusión nuclear, los científicos se han afanado por encontrar la manera de recrearla y aprovecharla. En un primer momento, estos intentos se mantuvieron en secreto. Sin embargo, pronto quedó claro que esta compleja y costosa investigación solo podría salir adelante con esfuerzos mancomunados. En la Segunda Conferencia Internacional de las Naciones Unidas sobre la Utilización de la Energía Atómica con Fines Pacíficos, que tuvo lugar en Ginebra (Suiza) en 1958, los científicos dieron a conocer al mundo las investigaciones en materia de fusión nuclear.

El OIEA ha ocupado un lugar central en las investigaciones internacionales sobre fusión. En 1960, y con el fin de intercambiar información sobre los avances en fusión nuclear, puso en marcha la revista Nuclear Fusion, actualmente considerada la publicación periódica de referencia en la materia. La primera Conferencia del OIEA sobre Energía de Fusión de carácter internacional tuvo lugar en 1961, y desde 1974 el Organismo viene convocando una conferencia bienal para fomentar el diálogo sobre los avances y logros en dicha esfera.

Tras dos decenios de negociaciones relativas al diseño y la ubicación de la mayor instalación mundial de fusión, el ITER se estableció en Francia en 2007 con el objetivo de demostrar que era científica y tecnológicamente viable producir energía de fusión. El Director General del OIEA es el depositario del Acuerdo ITER. Después del ITER se prevé la construcción de centrales de demostración de la fusión (o DEMO) para demostrar que la fusión nuclear controlada puede generar energía eléctrica neta. El OIEA organiza talleres sobre DEMO para facilitar la colaboración en la definición y coordinación de las actividades periódicas del programa DEMO en todo el mundo.

Las previsiones apuntan a que la fusión podría satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad durante millones de años. El combustible de fusión es abundante y de fácil acceso: el deuterio se puede extraer del agua marina de manera económica, y el tritio se puede producir a partir del litio, que está presente en grandes cantidades en la naturaleza. Los futuros reactores de fusión no generarán desechos nucleares de actividad alta y período largo, y en un reactor de fusión es prácticamente imposible que se produzca un accidente de fusión del núcleo.

Un dato importante es que la fusión nuclear no emite dióxido de carbono ni otros gases de efecto invernadero a la atmósfera, por lo que, junto con la fisión nuclear, podría contribuir a mitigar el cambio climático en el futuro en su condición de fuente de energía baja en carbono.

May, 2021
Vol. 62-2

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