Fusión nuclear para bisoños

“Hay décadas donde nada ocurre y hay semanas donde ocurren décadas”. Independientemente de quién pronunció por primera vez esta frase o en qué contexto lo hizo (se los dejo de tarea), no parece haber una mejor manera de resumir lo que está pasando con la fusión nuclear. Vienen divulgándose, cada vez con mayor frecuencia, noticias sobre los logros alcanzados en esta materia por distintos laboratorios nacionales y consorcios internacionales. Un día amanece encendido el “sol artificial de China” y a la década siguiente, perdón, a la semana siguiente, en Inglaterra logran dominar este fuego de Prometeo moderno.

"el sol artificial Chino"
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Pero ¿qué es la fusión nuclear?, ¿por qué tanta alharaca con una tecnología avanzada que parece sacada de una película de ciencia ficción? Precisamente por eso, porque ya no es ficción. La explotación efectiva de la fusión nuclear de la que todas esas noticias hablan podría ser la más importante revolución energética de la historia de la humanidad, solo comparable con el descubrimiento del fuego por nuestros antepasados homíninos.

¿Estaré exagerando?. Las semanas, perdón nuevamente, las décadas venideras lo dirán.

Les propongo que en esta columna (¿seré muy ambicioso?) exorcicemos de una buena vez a la “fusión nuclear”. Pongamos en palabras llanas los conceptos más importantes relacionados con esta fuente de energía, la más densa fuente de energía de todo el Universo, y se los dice un astrónomo. Esta es pues una guía de fusión nuclear para bisoños. Léase en compañía de niños y adultos irresponsables.

¿Qué es la fusión nuclear?

En palabras llanas, la fusión nuclear es el proceso por el cual se pegan átomos entre sí cuando un gas muy diluído se calienta a decenas o centenares de millones de grados [1]. Este proceso genera energía (¡en inmensas cantidades!) y produce muy pocos desechos materiales (principalmente helio). La fusión ocurre en el Sol todo el tiempo y es la clave de la energía que mantiene brillando nuestras estrellas. Por eso, cuando alguien consigue hacerlo en la Tierra se habla de la creación de un “sol artificial”. Aún no logramos explotar efectivamente el inmenso potencial de la fusión nuclear para cubrir nuestras crecientes necesidades como especie tecnológica [2]. Esta es justamente la razón por la cual todos los avances encaminados en conseguir fusión nuclear en laboratorios o centrales energéticas especializadas son tan cacareados en los medios de comunicación.

¿Por qué nuclear?

Se le llama “fusión nuclear” porque cuando decimos pegar átomos no nos referimos simplemente a juntarlos para hacer moléculas. Cuando las plantas realizan fotosíntesis, por ejemplo, en el fondo lo que hacen es pegar átomos: a las moléculas de CO2 que capturan del aire les pegan átomos de hidrógeno y con ello forman azúcares que después el árbol usa para hacer desde nectar y manzanas hasta bejucos, ramas y troncos. La fusión nuclear no es este tipo de “fusión”. En ella se pegan los núcleos de los átomos, es decir el corazón compacto y diminuto de la materia en el que se esconde casi todo su peso. Al fusionarse los núcleos atómicos, los átomos involucrados pierden su identidad y se convierten en nuevos átomos. Es como si dos personas, al unirse en matrimonio, dejaran de ser dos personas y se volvieran una sola (y no figuradamente).

¿Tiene algo que ver la fusión nuclear con el desastre de Chernobyl o la bomba de Hiroshima?

No, la fusión nuclear no tiene nada que ver con estos infaustos eventos. Los núcleos atómicos también se pueden partir (a esto se le llama fisión nuclear) o pueden crecer y volverse radiactivos al ganar neutrones (lo que se conoce como captura de neutrones). Estos dos procesos son la clave de la energía liberada en centrales nucleares como Chernobyl o las otras más de 400 centrales de fisión nuclear que existen en el mundo; todas, valga la pena aclarar, ¡muchísimo más seguras que Chernobyl!

¿Por qué es tan difícil conseguir la fusión nuclear?

La razón es relativamente fácil de entender y al mismo tiempo está relacionada con uno de los secretos mejor guardados de la materia: los núcleos atómicos se rechazan con intensidad entre sí y lo hacen con la segunda fuerza más poderosa del universo: la fuerza eléctrica. ¡Sí!, aunque no lo crean, la fuerza que empuja a los electrones a través de un cable cuando cargamos un celular con electricidad es la segunda fuerza más intensa del universo (¡con razón da para tanto!).

Pegar dos núcleos atómicos no es, entonces, nada fácil. Siguiendo con la analogía humana, es como sentar en la mesa a dos eternos enemigos. Sin embargo, hay una manera de conseguir la fusión y las estrellas la descubrieron antes que nosotros: ¡el calor! (o para ser más rigurosos, la temperatura). Cuando una sustancia está muy pero muy caliente, ocurren dos cosas a nivel microscópico. La primera es que los átomos, que son en realidad entidades compuestas por un núcleo y muchos electrones, pierden completamente los electrones, es decir, “quedan empelota” o se ionizan, como dicen los que saben. Lo segundo que pasa cuando la temperatura es muy alta es que los núcleos terminan viajando a velocidades muy grandes y chocan entre sí con violencia. Técnicamente aquello que llamamos temperatura mide en realidad la velocidad a la que se mueven las partículas de un cuerpo. La regla es fácil: gran temperatura significa gran velocidad.

¿Cuánta temperatura se necesita para la fusión nuclear?

A temperaturas entre decenas y cientos de millones de grados la velocidad de los núcleos atómicos es tan grande que es prácticamente inevitable que dos núcleos que se acercan terminen pegándose. “¿Pegándose?, ¿no dizque se repelían?” Como sucede con algunas personas que se odian profundamente, cuando dos núcleos atómicos se acercan mucho descubren que no son muy diferentes y hasta se encuentran simpáticos, por decirlo de algún modo. En términos más técnicos, mientras estaban a gran distancia las partículas de un núcleo atómico (protones y neutrones) no alcanzaban a sentir a las del otro núcleo, pero a distancias muy pequeñas estas partículas logran atraerse individualmente. “¡Mira!, ¡en ese otro núcleo viven partículas como nosotros!”, dirían los protones y neutrones si tuvieran boca. Pero esta vez la fuerza con la que se atraen las partículas individuales es la más poderosa del universo. ¿El amor?, ¡no! Los físicos, que no siempre somos muy creativos, la llamamos “fuerza fuerte”.

A gran temperatura, entonces, el odio visceral entre los núcleos que chocan es reemplazado por “el amor” filial entre sus protones y neutrones. ¡Esa es la clave de la fusión nuclear!

Imagen disponible en: https://static.scientificamerican.com/sciam/cache/file/9F2AC75A-2646-451F-85B02DAA7FEFE732_source.jpg?w=590&h=800&3092B71A-7AD4-4349-AE41FB5B452EFB69 
La fusión nuclear es lo que mantiene encendido el horno del sol y de todas las estrellas. Crédito: SOHO (ESA & NASA)

¿Por qué se libera energía con la fusión nuclear?

Todos los núcleos guardan energía. En física (¡espero lo recuerden!) la energía es el producto de la fuerza por la distancia. Como la fuerza entre los protones y los neutrones es la más poderosa del universo, la energía que guardan los núcleos es también la energía más grande del universo. Por eso es que todos los fenómenos que impliquen las transformaciones nucleares (radiactividad, fisión y fusión nuclear) son también los que más energía involucran por cada kilogramo de materia implicada. Si un vehículo automotor regular usara energía nuclear de algún tipo (por ahora esto solo se ve en películas y en robots que andan en otros planetas [3]), con tan solo unos gramos de combustible podría movilizarse por años sin necesidad de tanquear. ¡Un sueño! (¿o muy peligroso?).

Ahora bien, los núcleos muy grandes tienen un defecto: contienen muchos protones que se repelen entre sí. Así, por ejemplo, en un núcleo de un átomo de carbono hay 6 protones, mientras que en un átomo de hierro, que es más pesado, hay 26 de esas bestiecillas eléctricas. La repulsión entre los protones no alcanza a desbaratar los núcleos atómicos pero si disminuye su contenido de energía nuclear. La regla es sencilla entonces (en caso de que vayan a comprar un núcleo en el supermercado): los núcleos grandes tienen menos energía que los pequeños.

Como en la fusión nuclear se pegan núcleos pequeños (con mucha energía interna) para formar núcleos grandes (con poca energía interna), parte de la energía interna inicial que ponen los socios nucleares queda sobrando. ¿Adónde va toda esa energía? ¡Bum!, ¡ahí tienen el secreto de por qué la fusión nuclear produce energía!, ¡mucha energía!

¡Parece fácil!, ¿dónde está entonces la dificultad para explotar la fusión nuclear?

Hay básicamente dos obstáculos. Como explicamos antes, la primera condición para que la fusión nuclear ocurra es que la materia esté a gran temperatura, como mínimo unos 70 millones de grados centígrados (¿no les pide más el cuerpo?). Pero díganme, ¿en qué “olla” se puede guardar una “sopa” a esa temperatura? Cuando la materia está muy caliente se vuelve eléctrica: forma un plasma como dicen los entendidos. Los plasmas pueden flotar si se ponen entre imanes poderosos (así funcionaban los televisores de vieja data, esos que tenían más espalda que frente). Entonces, si calentamos un gas a millones de grados centígrados y lo ponemos en una olla magnética [4], el plasma caliente resultante flota sin dañar la olla. ¡Sencillo!, ¿no? ¡No tan rápido cerebritos!

Imagen disponible en: https://i.blogs.es/267742/tokamaksandiego/1366_2000.jpg 
Interior de una “olla magnética” en la que se realiza fusión nuclear: el tokamak DIII-D de la General Atomics en San Diego (USA).

El plasma es altamente inestable: un parpadeo puede hacer que el plasma se escape de la olla o se enfríe y hasta ahí llego el paseo. Este es uno de los problemas más complicados de las tecnologías de fusión nuclear y también una de las fuentes más importantes de noticias en redes. Así, la próxima vez que leamos que el laboratorio X en el país Y logró producir fusión nuclear por Z segundos, en lugar de burlarnos por “lo poquito”, ¡todos deberíamos celebrarlo!, ¡están domando una bestia muy esquiva!

El segundo obstáculo que enfrenta la fusión nuclear es de naturaleza “comercial”: necesitamos comprar mucha electricidad para producir energía por fusión nuclear. Tenemos que superar este obstáculo si queremos prender bombillos, mover trenes y fundir acero con la energía extraída de la fusión nuclear (es decir, para resolver nuestros problemas energéticos). Para ponerlo en términos más simples: la factura de energía de los reactores de fusión nuclear cuesta más de lo que se podría obtener vendiendo la energía que producen. ¡Un mal negocio!

¿Algún día lograremos producir comercialmente energía por fusión nuclear?

Es difícil decirlo. Un chiste (negro) muy difundido en los circulos tecnológicos dice que siempre estamos a 30 años para que la fusión nuclear empiece a rendir frutos.

Sin embargo, y como dice el aforismo con el que comenzamos está columna, tal vez estamos viviendo el tiempo en el que en unas semanas de investigación nuclear ocurran avances que antes se medían en décadas.

Manténganse en sintonía con la fusión nuclear.

Citas y referencias

[1] En el último experimento de fusión nuclear en Inglaterra se produjeron las más altas temperaturas nunca antes logradas en un laboratorio: 100 millones de grados. Por unos segundos ese laboratorio fue el lugar más caliente de todo el sistema solar en 4.600 millones de años de historia. Vea la noticia aquí: https://www.world-nuclear-news.org/Articles/Tokamak-Energy-achieves-crucial-plasma-temperature.

[2]Recientemente, el laboratorio JET (Joint European Torus) con base en Reino Unido consiguió producir durante más de 5 segundos una cantidad de energía casi igual a la que se invirtió para encender el reactor de fusión. Es lo más cerca que hemos estado de producir efectivamente energía por fusión nuclear. Ver la noticia aquí: https://www.world-nuclear-news.org/Articles/Tokamak-Energy-achieves-crucial-plasma-temperature.

[3] La energía que alimenta la Perseverance, un laboratorio con ruedas que la NASA puso hace unos años en Marte, viene de una batería alimentada con radiactividad, https://elperiodicodelaenergia.com/la-nasa-conquista-marte-con-energia-nuclear-el-rover-perseverence-se-suministra-de-electricidad-procedente-de-un-generador-mmrtg/

[4] La tecnología más utilizada en los reactores de fusión nuclear se llama justamente “tecnología de confinamiento magnético” y utiliza unas ollas en forma de dona conocidas como TOKAMAK. Para saber más https://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak.

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Jorge Zuluaga.
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