XI. LAS PERSPECTIVAS DE LA FUSI�N NUCLEAR EN EL FUTURO CERCANO COMO ALTERNATIVA VIABLE PARA GENERAR ENERG�A

HEMOS hablado ya de lo que es la fusi�n, de c�mo se da en la naturaleza y en el laboratorio, y de las diferentes alternativas para usarla como productora de energ�a �til, as� como los problemas que se enfrentan para lograr estos fines. Para concluir esta presentaci�n, vamos a analizar las posibilidades reales, como se ven en la actualidad, de poder llegar a tener plantas generadoras de energ�a basadas en el concepto de la fusi�n como fuente. No vamos a tratar de hacer predicciones de cu�ndo se podr� tener un reactor de fusi�n comercial, ni de su rentabilidad. Hasta ahora todas las estimaciones de los tiempos para dominar a la fusi�n, hechas en diferentes momentos, se han quedado cortas; se dec�a, al iniciarse la investigaci�n en los a�os cincuenta, que en veinte a�os se estar�a en posici�n de construir un primer reactor. El mismo c�lculo se ha hecho en otras ocasiones, por lo que ahora se bromea diciendo que la fusi�n controlada siempre estar� a 20 a�os de alcanzarse. Baste aqu� decir que el uso comercial de la fusi�n tardar� todav�a algunas d�cadas y ser� en alg�n momento del siglo XXI cuando empiece a figurar de manera importante en el panorama energ�tico.

Como el confinamiento magn�tico del plasma termonuclear es el m�s avanzado actualmente, es el que m�s posibilidades tiene de dar lugar a un reactor de fusi�n. La meta inmediata es demostrar que es factible lograr la condici�n de emparejamiento entre la potencia invertida y la potencia generada por fusi�n. Hay dos maneras de lograrla: la termalizada y la no-termalizada. En la �ltima, gran parte de las reacciones son producidas por choques de part�culas energ�ticas, provenientes de la inyecci�n de haces neutros con las part�culas del plasma (lo que es m�s f�cil de alcanzar que el emparejamiento termalizado, en el que todas las reacciones se producen entre las part�culas t�rmicas del plasma) pero tiene menor valor, porque la siguiente meta, el encendido del plasma, debe operar con reacciones termalizadas; las part�culas alfa producidas por la fusi�n mantienen caliente el plasma sin intervenci�n externa. Experimentos en los tokamaks m�s avanzados, realizados �ltimamente, han alcanzado condiciones muy cercanas al emparejamiento termalizado te�rico. Se dice que es te�rico porque en los experimentos normalmente no se trabaja con deuterio y tritio sino s�lo con deuterio, y la afirmaci�n del emparejamiento se basa en c�lculos de lo que se espera con un reactor de D-T. El �nico aparato que ha usado tritio como prueba para las predicciones te�ricas es el tokamak JET operado por la Comunidad Europea, en el cual en noviembre de 1991 se realizaron algunas descargas introduciendo el tritio a trav�s de los haces neutros usados para calentamiento. El resultado de la operaci�n con tritio confirm� 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 tama�o. Los aparatos m�s grandes que existen en la actualidad son: JET (Joint European Torus) en Gran Breta�a, TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) en Princeton, EUA y JT-60 en Jap�n, mientras que en la antigua Uni�n Sovi�tica se construy� el T-15 que por problemas econ�micos, a�n no est� 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, pr�cticamente, en la frontera de la regi�n de emparejamiento no termalizado para fusi�n D-T. Adem�s de JET, el otro experimento planeado para operar con tritio es TFTR, de modo que s�lo en ellos se podr� llegar realmente al emparejamiento. La operaci�n 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. Adem�s, 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 proporci�n de tritio fue baja, se ha tenido activaci�n de las paredes de la c�mara y ha habido que esperar varios meses a que �sta decaiga antes de seguir operando. Por esta raz�n no se quiere a�n usar tritio en otras m�quinas, y se est� dejando esta etapa para el final del periodo de operaci�n de los aparatos, cuando ya se hayan realizado la mayor�a de los experimentos de inter�s.

En la figura 33 se da una visi�n esquem�tica del estado de los diferentes tokamaks en un diagrama como el empleado en la figura 6, del par�metro de Lawson (n t_E) contra la temperatura j�nica. La l�nea discontinua representa la frontera de emparejamiento no termalizado mientras que la l�nea etiquetada Q=1 corresponde al emparejamiento termalizado. Se aprecia que todav�a falta mejorar bastante estos par�metros para llegar a la regi�n del encendido. El experimento que mejores resultados ha dado es JET el cual ha alcanzado las condiciones de emparejamiento, pero por per�odos transitorios y no se han podido sostener por tiempos largos. La investigaci�n en estos aparatos continuar� durante los pr�ximos a�os y se espera probar directamente el emparejamiento al operar con tritio, pero no est�n dise�ados para alcanzar las condiciones de encendido. Para esto es necesaria la programaci�n de nuevos experimentos m�s avanzados, que permitan ya estudiar la operaci�n de un reactor de fusi�n. Esta etapa est� en planeaci�n y se ha llegado a la conclusi�n de que es conveniente desarrollar un solo experimento, con la colaboraci�n 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 l�nea de utilizar plasmas de grandes dimensiones para mejorar el confinamiento. Las dimensiones que se est�n considerando son: radio mayor, de seis a siete metros, y radio menor de dos metros. El campo magn�tico toroidal, en cambio, no se planea incrementar substancialmente en relaci�n a los usados en la actualidad; ser� del orden de 5 a 10 Teslas. La corriente del plasma se aumentar� hasta 20 MegaAmperes, pero se tratar� de disminuir en dise�os posteriores para mejorar el tiempo de confinamiento, el cual var�a inversamente con la corriente.

Figura 33. Diagrama del par�metro de Lawson nt_E contra la temperatura de los iones para distintos tokamaks mostrando la evoluci�n, desde los primeros (T3) hasta los m�s 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 podr� estar en operaci�n sino hasta el siglo pr�ximo, y todav�a no se ha definido d�nde ser� construido. Hay otra propuesta de experimento que en lugar de irse a dimensiones enormes utiliza campos magn�ticos y densidades elevados, como en Alcator, y se le ha denominado Ignitor. Esta m�quina, te�ricamente, podr�a llegar al encendido usando �nicamente calentamiento �hmico, pero la idea no est� siendo bien recibida por una fracci�n de la comunidad de cient�ficos dedicados a estudiar la fusi�n. Cabe mencionar tambi�n 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 contin�e.

Una vez que se logre demostrar que es posible mantener encendido el plasma termonuclear, produciendo m�s energ�a que la que se invierte en el sistema el�ctrico del aparato, se proceder� a construir ya un reactor comercial. En forma esquem�tica podemos ejemplificar el funcionamiento de un reactor termonuclear como se hace en la figura 34. En el n�cleo del reactor se encuentra el plasma encendido, que puede estar confinado magn�tica o inercialmente. El plasma est� compuesto por partes iguales de deuterio y tritio y colocado dentro de una c�mara envuelta por un cobertor de litio. Las part�culas alfa producidas en la fusi�n permanecen en la c�mara d�ndole su energ�a al plasma para mantenerlo caliente, mientras que los neutrones atraviesan la pared y reaccionan con el litio para producir tritio. El tritio es extra�do 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 magn�tico, como ocurrir� al menos con los primeros reactores, el sistema de bobinas magn�ticas estar� tambi�n en el exterior, procur�ndose que los campos magn�ticos penetren al interior del plasma con la menor modificaci�n posible.

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

Una vez que el reactor se halla funcionando, debe extraerse la energ�a que genera para poder utilizarla en la producci�n de electricidad. Para ello se instala un sistema de extracci�n 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 �ltimo podr� dar lugar a vapor a alta presi�n el cual activar� una turbina que genera electricidad. Para que una planta de este tipo pueda funcionar adecuadamente se necesita que la fuente de energ�a sea m�s 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 inducci�n. En tal caso se tendr�a que usar un mecanismo de almacenamiento de energ�a donde se vaya acumulando la que se genera en los pulsos, y tenerla disponible para uso continuo. Otra posibilidad que se est� manejando es producir la corriente en el reactor por m�todos no inductivos, como se mencion� en el cap�tulo VI, que ser�a la mejor alternativa, pues as� la operaci�n ser�a estacionaria.

Los m�todos alternativos al tokamak para el confinamiento del plasma todav�a no pueden ser considerados seriamente en la construcci�n de un reactor, y aunque se han hecho algunos dise�os basados en conceptos distintos, su aplicabilidad s�lo podr� darse despu�s de haber experimentado por tiempos m�s 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 raz�n se ha pensado que se podr�a aprovechar la energ�a de la fusi�n 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 condici�n de encendido del plasma, se cuenta ya con una producci�n de neutrones y de energ�a 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 h�brido de fusi�n-fisi�n. La idea es usar los neutrones, que se producen abundantemente en las reacciones de fusi�n, para producir el combustible de un reactor nuclear de fisi�n. As�, la energ�a que �ste produce ser�a empleada, en parte, para mantener en funcionamiento la parte que produce la fusi�n y el resto para generar electricidad.

Comentaremos brevemente la conveniencia de producir ciertos combustibles para un reactor de fisi�n. El �nico material fisionable que se encuentra en forma natural sobre la tierra es el is�topo uranio-235, del cual hay relativamente poca cantidad. La mayor parte est� bajo la forma del is�topo uranio-238, pero como se encuentran mezclados, resulta que la proporci�n de material fisionable del combustible de un reactor es muy baja (s�lo 0.72%), y para aprovecharla al m�ximo se necesita frenar los neutrones que se van produciendo hasta alcanzar velocidades t�rmicas. Por esta raz�n se les llama reactores t�rmicos. Si se logra que la mayor parte del combustible sea fisionable no habr�a ya necesidad de termalizar a los neutrones y se simplificar�a su operaci�n; a �stos se les llama reactores r�pidos. Una manera de aumentar la proporci�n de n�cleos fisionables es a trav�s de un proceso de enriquecimiento, en el que se separa y retira una fracci�n de los n�cleos de uranio-238, aumentando as� la proporci�n de uranio-235 a m�s de 4%, pero es un proceso muy caro. Tambi�n es posible conseguir combustibles altamente fisionables si se bombardea, por ejemplo, el uranio-238 con neutrones, pues decae en plutonio-239 que se fisiona f�cilmente; el mismo resultado se tiene con el bombardeo de torio-232 (que se encuentra en la naturaleza) produci�ndose uranio-233. Los neutrones para esta transformaci�n provendr�an de las reacciones de fusi�n. El reactor h�brido ha sido pensado tambi�n para emplearse en la fusi�n catalizada por muones. Sin embargo, este tipo de reactores todav�a no se haya en desarrollo por lo que no ha sido evaluado propiamente.

Un inconveniente del reactor h�brido es que produce gran cantidad de material radiactivo, a�n m�s que uno de fisi�n, ya que adem�s de los desechos y problemas de este �ltimo se a�ade la activaci�n de los materiales por los neutrones de la fusi�n. Este hecho quita uno de los grandes atractivos de la fusi�n mencionados en el cap�tulo I: su relativa limpieza. En relaci�n a esto conviene hacer una comparaci�n entre la seguridad en un reactor de fusi�n puro y la de un reactor de fisi�n, en su funcionamiento y en el manejo de los desechos, a la luz de lo que se ha dicho sobre la fusi�n. Durante la operaci�n de un reactor, resulta claro que la seguridad es mayor en uno de fusi�n ya que no existe el riesgo de que se vuelva supercr�tico (se llama as� al calentamiento fuera de control); por el contrario, en el otro tipo de reactor si se pierde el control el plasma se enfr�a 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 fisi�n, pero esto no parece ser un problema. Con respecto a los materiales radioactivos, la fusi�n produce activaci�n por medio de los neutrones que se crean, lo que puede ser un problema, pero no se producen desechos como durante la fisi�n. Con el fin de reducir lo anterior se est�n desarrollando nuevos materiales para fabricar las paredes, que tienen un nivel de activaci�n muy bajo y que pueden desactivarse en tiempos cortos. Entre los materiales a emplear destaca el carbonato de silicio, que reduce la activaci�n en m�s de un mill�n con respecto al acero despu�s de un d�a de estar apagado el reactor. En estudios realizados sobre la seguridad proyectada para la fusi�n se ha concluido que es mucho m�s ventajosa que la de los reactores de fisi�n, especialmente para periodos largos despu�s de cerrarse.

Para concluir la obra conviene destacar los modestos equipos experimentales con los que se cuenta en M�xico en relaci�n a la investigaci�n en fusi�n termonuclear. De ninguna manera se puede considerar que se est� en posici�n de contribuir a los esfuerzos por controlar la fusi�n, pero estos experimentos representan un medio de ir adquiriendo la experiencia necesaria para construir aparatos mejores y m�s importantes. En primer lugar se tiene, como se mencion� anteriormente, un foco de plasma denso, denominado Fuego Nuevo que ha estado operando desde hace algunos a�os en la UNAM. La tecnolog�a de este tipo de aparatos es un poco diferente de la que se emplea, por ejemplo, en los tokamaks, debido a los tiempos tan peque�os en los que ocurre la compresi�n 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) peque�o que se llama, por su tama�o, Novillo, y se encuentra en el ININ (Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares). Este apenas ha iniciado su operaci�n, y se ha logrado producir plasmas durante tiempos de un milisegundo. En la Tabla 1 del cap�tulo VI se incluy� este tokamak para resaltar la existencia de grupos de investigadores de la fusi�n nuclear en M�xico, aunque claramente no es comparable con los experimentos verdaderamente importantes. Esperamos que, a medida que se vaya acercando el d�a en que la producci�n de energ�a por fusi�n sea una realidad, se vaya tambi�n estrechando la brecha entre nuestra participaci�n cient�fica y la de los pa�ses tradicionalmente dominantes. De cualquier manera, los beneficiados con el dominio del nuevo fuego que promete ser la fusi�n termonuclear ser�n todos los hombres, siempre y cuando en su manejo impere la raz�n.