XI. LAS PERSPECTIVAS DE LA FUSIÓN NUCLEAR EN EL FUTURO CERCANO COMO ALTERNATIVA VIABLE PARA GENERAR ENERGÍA

HEMOS hablado ya de lo que es la fusión, de cómo se da en la naturaleza y en el laboratorio, y de las diferentes alternativas para usarla como productora de energía útil, así como los problemas que se enfrentan para lograr estos fines. Para concluir esta presentación, vamos a analizar las posibilidades reales, como se ven en la actualidad, de poder llegar a tener plantas generadoras de energía basadas en el concepto de la fusión como fuente. No vamos a tratar de hacer predicciones de cuándo se podrá tener un reactor de fusión comercial, ni de su rentabilidad. Hasta ahora todas las estimaciones de los tiempos para dominar a la fusión, hechas en diferentes momentos, se han quedado cortas; se decía, al iniciarse la investigación en los años cincuenta, que en veinte años se estaría en posición de construir un primer reactor. El mismo cálculo se ha hecho en otras ocasiones, por lo que ahora se bromea diciendo que la fusión controlada siempre estará a 20 años de alcanzarse. Baste aquí decir que el uso comercial de la fusión tardará todavía algunas décadas y será en algún momento del siglo XXI cuando empiece a figurar de manera importante en el panorama energético.

Como el confinamiento magnético del plasma termonuclear es el más avanzado actualmente, es el que más posibilidades tiene de dar lugar a un reactor de fusión. La meta inmediata es demostrar que es factible lograr la condición de emparejamiento entre la potencia invertida y la potencia generada por fusión. Hay dos maneras de lograrla: la termalizada y la no-termalizada. En la última, gran parte de las reacciones son producidas por choques de partículas energéticas, provenientes de la inyección de haces neutros con las partículas del plasma (lo que es más fácil de alcanzar que el emparejamiento termalizado, en el que todas las reacciones se producen entre las partículas térmicas del plasma) pero tiene menor valor, porque la siguiente meta, el encendido del plasma, debe operar con reacciones termalizadas; las partículas alfa producidas por la fusión mantienen caliente el plasma sin intervención externa. Experimentos en los tokamaks más avanzados, realizados últimamente, han alcanzado condiciones muy cercanas al emparejamiento termalizado teórico. Se dice que es teórico porque en los experimentos normalmente no se trabaja con deuterio y tritio sino sólo con deuterio, y la afirmación del emparejamiento se basa en cálculos de lo que se espera con un reactor de D-T. El único aparato que ha usado tritio como prueba para las predicciones teóricas es el tokamak JET operado por la Comunidad Europea, en el cual en noviembre de 1991 se realizaron algunas descargas introduciendo el tritio a través de los haces neutros usados para calentamiento. El resultado de la operación con tritio confirmó que la potencia predicha para reacciones D-T concuerda con las mediciones realizadas, pero la ganancia Q estuvo muy por debajo de 1.

Hemos mencionado con anterioridad que la tendencia para mejorar el confinamiento es hacer aparatos cada vez de mayor tamaño. Los aparatos más grandes que existen en la actualidad son: JET (Joint European Torus) en Gran Bretaña, TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) en Princeton, EUA y JT-60 en Japón, mientras que en la antigua Unión Soviética se construyó el T-15 que por problemas económicos, aún no está en funciones. En ellos se logran tiempos de confinamiento del orden de un segundo para densidades de 10 ¹⁴ cm^-3 y, con los sistemas de calentamiento auxiliar, temperaturas de los iones del orden de 10 keV, que los coloca, prácticamente, en la frontera de la región de emparejamiento no termalizado para fusión D-T. Además de JET, el otro experimento planeado para operar con tritio es TFTR, de modo que sólo en ellos se podrá llegar realmente al emparejamiento. La operación con tritio es muy delicada debido a su radiactividad y debe de contarse con equipos especiales para manipularlo de manera segura y eficiente. En ocasiones se requiere del manejo remoto para evitar el contacto directo con este material. Además, los neutrones producidos hacen que el aparato se empiece a activar, lo que impide el manejo directo que hasta ahora se ha empleado. En los experimentos de JET mencionados, aunque la proporción de tritio fue baja, se ha tenido activación de las paredes de la cámara y ha habido que esperar varios meses a que ésta decaiga antes de seguir operando. Por esta razón no se quiere aún usar tritio en otras máquinas, y se está dejando esta etapa para el final del periodo de operación de los aparatos, cuando ya se hayan realizado la mayoría de los experimentos de interés.

En la figura 33 se da una visión esquemática del estado de los diferentes tokamaks en un diagrama como el empleado en la figura 6, del parámetro de Lawson (n t_E) contra la temperatura jónica. La línea discontinua representa la frontera de emparejamiento no termalizado mientras que la línea etiquetada Q=1 corresponde al emparejamiento termalizado. Se aprecia que todavía falta mejorar bastante estos parámetros para llegar a la región del encendido. El experimento que mejores resultados ha dado es JET el cual ha alcanzado las condiciones de emparejamiento, pero por períodos transitorios y no se han podido sostener por tiempos largos. La investigación en estos aparatos continuará durante los próximos años y se espera probar directamente el emparejamiento al operar con tritio, pero no están diseñados para alcanzar las condiciones de encendido. Para esto es necesaria la programación de nuevos experimentos más avanzados, que permitan ya estudiar la operación de un reactor de fusión. Esta etapa está en planeación y se ha llegado a la conclusión de que es conveniente desarrollar un solo experimento, con la colaboración internacional, ya que de esta manera se reparten los gastos y no se repiten esfuerzos. El proyecto, al que se ha dado el nombre de ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), sigue en la línea de utilizar plasmas de grandes dimensiones para mejorar el confinamiento. Las dimensiones que se están considerando son: radio mayor, de seis a siete metros, y radio menor de dos metros. El campo magnético toroidal, en cambio, no se planea incrementar substancialmente en relación a los usados en la actualidad; será del orden de 5 a 10 Teslas. La corriente del plasma se aumentará hasta 20 MegaAmperes, pero se tratará de disminuir en diseños posteriores para mejorar el tiempo de confinamiento, el cual varía inversamente con la corriente.

Figura 33. Diagrama del parámetro de Lawson nt_E contra la temperatura de los iones para distintos tokamaks mostrando la evolución, desde los primeros (T3) hasta los más recientes (JET y TFTR). Poco a poco se han ido aproximando a las metas, la intermedia de emparejamiento (Q=1) y la final de encendido.

El experimento ITER no podrá estar en operación sino hasta el siglo próximo, y todavía no se ha definido dónde será construido. Hay otra propuesta de experimento que en lugar de irse a dimensiones enormes utiliza campos magnéticos y densidades elevados, como en Alcator, y se le ha denominado Ignitor. Esta máquina, teóricamente, podría llegar al encendido usando únicamente calentamiento óhmico, pero la idea no está siendo bien recibida por una fracción de la comunidad de científicos dedicados a estudiar la fusión. Cabe mencionar también que existe un proyecto europeo llamado NET (Next European Torus) que pretende ser el sucesor de JET, pero en vista de las nuevas tendencias internacionales, no es seguro que continúe.

Una vez que se logre demostrar que es posible mantener encendido el plasma termonuclear, produciendo más energía que la que se invierte en el sistema eléctrico del aparato, se procederá a construir ya un reactor comercial. En forma esquemática podemos ejemplificar el funcionamiento de un reactor termonuclear como se hace en la figura 34. En el núcleo del reactor se encuentra el plasma encendido, que puede estar confinado magnética o inercialmente. El plasma está compuesto por partes iguales de deuterio y tritio y colocado dentro de una cámara envuelta por un cobertor de litio. Las partículas alfa producidas en la fusión permanecen en la cámara dándole su energía al plasma para mantenerlo caliente, mientras que los neutrones atraviesan la pared y reaccionan con el litio para producir tritio. El tritio es extraído para poder ser utilizado en el reabastecimiento de combustible para el reactor, junto con el deuterio que puede ser obtenido del agua. Todo este conjunto debe de estar contenido dentro de paredes blindadas que permitan su aislamiento del exterior, pues el tritio es radiactivo y los neutrones que escapan producen radiaciones peligrosas. Si se usa confinamiento magnético, como ocurrirá al menos con los primeros reactores, el sistema de bobinas magnéticas estará también en el exterior, procurándose que los campos magnéticos penetren al interior del plasma con la menor modificación posible.

FIGURA 34. Esquema de las principales partes de lo que será un reactor termonuclear.

Una vez que el reactor se halla funcionando, debe extraerse la energía que genera para poder utilizarla en la producción de electricidad. Para ello se instala un sistema de extracción que haga circular un fluido del interior al exterior del reactor para que absorba el calor y lo entregue a un intercambiador de calor. Este último podrá dar lugar a vapor a alta presión el cual activará una turbina que genera electricidad. Para que una planta de este tipo pueda funcionar adecuadamente se necesita que la fuente de energía sea más o menos constante, lo cual no es posible obtener, directamente, con un reactor que funcione a pulsos, como ocurre cuando la corriente de un tokamak se produce por inducción. En tal caso se tendría que usar un mecanismo de almacenamiento de energía donde se vaya acumulando la que se genera en los pulsos, y tenerla disponible para uso continuo. Otra posibilidad que se está manejando es producir la corriente en el reactor por métodos no inductivos, como se mencionó en el capítulo VI, que sería la mejor alternativa, pues así la operación sería estacionaria.

Los métodos alternativos al tokamak para el confinamiento del plasma todavía no pueden ser considerados seriamente en la construcción de un reactor, y aunque se han hecho algunos diseños basados en conceptos distintos, su aplicabilidad sólo podrá darse después de haber experimentado por tiempos más largos, como en el caso del tokamak. Aun en los reactores basados en el tokamak, el panorama hacia el futuro no es completamente claro con respecto a su costeabilidad, aunque existe optimismo. Por esta razón se ha pensado que se podría aprovechar la energía de la fusión por otros medios que no requieran condiciones tan extremas como las de un reactor termonuclear puro. A lo que nos referimos es a que, antes de llegar a la condición de encendido del plasma, se cuenta ya con una producción de neutrones y de energía importante en cuanto se sobrepasa la barrera del emparejamiento, que puede ser utilizable. El mecanismo propuesto, que hace uso de lo anterior, es un reactor híbrido de fusión-fisión. La idea es usar los neutrones, que se producen abundantemente en las reacciones de fusión, para producir el combustible de un reactor nuclear de fisión. Así, la energía que éste produce sería empleada, en parte, para mantener en funcionamiento la parte que produce la fusión y el resto para generar electricidad.

Comentaremos brevemente la conveniencia de producir ciertos combustibles para un reactor de fisión. El único material fisionable que se encuentra en forma natural sobre la tierra es el isótopo uranio-235, del cual hay relativamente poca cantidad. La mayor parte está bajo la forma del isótopo uranio-238, pero como se encuentran mezclados, resulta que la proporción de material fisionable del combustible de un reactor es muy baja (sólo 0.72%), y para aprovecharla al máximo se necesita frenar los neutrones que se van produciendo hasta alcanzar velocidades térmicas. Por esta razón se les llama reactores térmicos. Si se logra que la mayor parte del combustible sea fisionable no habría ya necesidad de termalizar a los neutrones y se simplificaría su operación; a éstos se les llama reactores rápidos. Una manera de aumentar la proporción de núcleos fisionables es a través de un proceso de enriquecimiento, en el que se separa y retira una fracción de los núcleos de uranio-238, aumentando así la proporción de uranio-235 a más de 4%, pero es un proceso muy caro. También es posible conseguir combustibles altamente fisionables si se bombardea, por ejemplo, el uranio-238 con neutrones, pues decae en plutonio-239 que se fisiona fácilmente; el mismo resultado se tiene con el bombardeo de torio-232 (que se encuentra en la naturaleza) produciéndose uranio-233. Los neutrones para esta transformación provendrían de las reacciones de fusión. El reactor híbrido ha sido pensado también para emplearse en la fusión catalizada por muones. Sin embargo, este tipo de reactores todavía no se haya en desarrollo por lo que no ha sido evaluado propiamente.

Un inconveniente del reactor híbrido es que produce gran cantidad de material radiactivo, aún más que uno de fisión, ya que además de los desechos y problemas de este último se añade la activación de los materiales por los neutrones de la fusión. Este hecho quita uno de los grandes atractivos de la fusión mencionados en el capítulo I: su relativa limpieza. En relación a esto conviene hacer una comparación entre la seguridad en un reactor de fusión puro y la de un reactor de fisión, en su funcionamiento y en el manejo de los desechos, a la luz de lo que se ha dicho sobre la fusión. Durante la operación de un reactor, resulta claro que la seguridad es mayor en uno de fusión ya que no existe el riesgo de que se vuelva supercrítico (se llama así al calentamiento fuera de control); por el contrario, en el otro tipo de reactor si se pierde el control el plasma se enfría y terminan las reacciones. Por otro lado, hay que tener cuidado con el manejo de parte del combustible (el tritio), lo que no ocurre en los reactores de fisión, pero esto no parece ser un problema. Con respecto a los materiales radioactivos, la fusión produce activación por medio de los neutrones que se crean, lo que puede ser un problema, pero no se producen desechos como durante la fisión. Con el fin de reducir lo anterior se están desarrollando nuevos materiales para fabricar las paredes, que tienen un nivel de activación muy bajo y que pueden desactivarse en tiempos cortos. Entre los materiales a emplear destaca el carbonato de silicio, que reduce la activación en más de un millón con respecto al acero después de un día de estar apagado el reactor. En estudios realizados sobre la seguridad proyectada para la fusión se ha concluido que es mucho más ventajosa que la de los reactores de fisión, especialmente para periodos largos después de cerrarse.

Para concluir la obra conviene destacar los modestos equipos experimentales con los que se cuenta en México en relación a la investigación en fusión termonuclear. De ninguna manera se puede considerar que se está en posición de contribuir a los esfuerzos por controlar la fusión, pero estos experimentos representan un medio de ir adquiriendo la experiencia necesaria para construir aparatos mejores y más importantes. En primer lugar se tiene, como se mencionó anteriormente, un foco de plasma denso, denominado Fuego Nuevo que ha estado operando desde hace algunos años en la UNAM. La tecnología de este tipo de aparatos es un poco diferente de la que se emplea, por ejemplo, en los tokamaks, debido a los tiempos tan pequeños en los que ocurre la compresión del plasma, pero igualmente se adquiere experiencia en el manejo y estudio del plasma termonuclear. El otro experimento que se tiene es un tokamak (o toro) pequeño que se llama, por su tamaño, Novillo, y se encuentra en el ININ (Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares). Este apenas ha iniciado su operación, y se ha logrado producir plasmas durante tiempos de un milisegundo. En la Tabla 1 del capítulo VI se incluyó este tokamak para resaltar la existencia de grupos de investigadores de la fusión nuclear en México, aunque claramente no es comparable con los experimentos verdaderamente importantes. Esperamos que, a medida que se vaya acercando el día en que la producción de energía por fusión sea una realidad, se vaya también estrechando la brecha entre nuestra participación científica y la de los países tradicionalmente dominantes. De cualquier manera, los beneficiados con el dominio del nuevo fuego que promete ser la fusión termonuclear serán todos los hombres, siempre y cuando en su manejo impere la razón.