Viaje por Alemania: Energía de fisión, energía de fusión

Plaza del mercado de Greifswald. Foto Lestidae

Pero no quiero, tras la entrada que dediqué a mi visita a la unidad 6 del reactor nuclear de Greifswald AQUÍ,  que asociéis de manera equivocada la población de Greifswald con obsoletas centrales nucleares soviéticas de fisión... no no no. De todas formas antes de lanzarme a hablar de lo que realmente quiero hablar quiero dejar claros algunos conceptos para los más nuevos en la materia y es a lo que dedicaré la entrada de hoy.

Fisión nuclear. Imagen Fastfission

La fisión es una reacción nuclear según la cual un núcleo atómico, de por ejemplo Uranio, se divide en otros núcleos y particulas liberando gran cantidad de energía. Es como si tuviesemos una olla a presión y le diesemos con un martillo, la olla estallaría dividiendose en diferentes partes y a esa división la acompañaría una fuerte liberación de energía (la explosión en si misma).

Uranio, foto Radioactive Rosca

En la fisión nuclear normalmente se coge un núcleo de Uranio y se bombardea con neutrones con mucha energía, los neutrones son absorbidos por el núcleo de Uranio y este se vuelve inestable, por lo que en un corto periodo de tiempo "estalla" y emite a su vez dos o tres neutrones los cuales a su vez serán captados por otros núcleos de Uranio que a su vez se volverán inestables y continuaran con la reacción en cadena. En las centrales nucleares como la de Greifswald, esa liberación de energía nuclear se aprovecha para calentar agua y así producir vapor que a su vez generará electricidad para poder dar energía al ordenador desde el que estoy escribiendo. Como es lógico pensar, el control de esa reacción en cadena es donde radica el quid de la cuestión. Si no se controla la reacción esta se puede desbocar por lo que es de extrema importancia saber que es lo que sucede en el interior del reactor con la liberación de neutrones derivados de la fisión y controlar su emisión en caso de que sea necesario. Tal y como vimos la información sobre la cantidad de neutrones que estaban siendo liberados en la reacción nuclear se obtenía a través de las cámaras de ionización y estos valores eran regulados a través de la inmersión de las barras de control de Boro (el cual tiene la capacidad de absorber neutrones) y a través del agua del circuito primario (el cual también contenía Boro y por tanto absorbía de manera continua neutrones durante su circulación).

Chernobíl. Foto Autoridades soviéticas

Los peligros de la fisión nuclear no se le escapan a nadie, si la reacción se vuelve incontrolable podemos tener un problema muy grande, y además el estar manejando material radioactivo ya de por si es peligroso y caro, ya que el Uranio no es que sea un elemento muy abundante. Tal vez hace unos cuantos años la humanidad podría haber aguantado un tiempo con la fisión nuclear, pero con el tiempo y la incursión de la electrónica de consumo en nuestras vidas la cosa se ha ido volviendo cada vez más complicada.

Appleadicto. Foto Flyzor

Simplemente comparad la demanda energética de un padre de familia hace 50 años (un libro, un horno de leña, luz y una radio) con la de uno actual (ipad, ipod, ordenador, plasma, freidora, tostadora, microondas, GPS, etc). En la actual sociedad la energía es un bien escaso y muy demandado, y aun nos queda por ejemplo asistir al desembarco del coche eléctrico el cual terminará de romper la baraja. Dicho lo anterior la humanidad, con lo que nos queda por delante, tiene pocas alternativas al margen de las energías renovables:

• O bien construimos centrales nucleares de fisión a mansalva y rezamos para que haya Uranio suficiente para alimentarlas con el riesgo que ello supone. 
• O bien desarrollamos otro tipo de tecnología que nos permita satisfacer esa demanda futura con poco gasto y riesgo.

¿Y como se consigue lo segundo? bueno, la respuesta se encuentra en la energía nuclear de fusión, y de eso, creedme, en Greifswald saben mucho. 

Fusión nuclear. Imagen Vvykis

Un reactor de fusión nuclear lo que hace es básicamente fusionar, unir, dos núcleos generando energía durante esa fusión. La reacción de fusión nuclear mas sencilla involucra al Deuterio y al Tritio, la fusión de ambos núcleos produce Helio y un neutrón liberando energía la cual se puede aprovechar para generar electricidad. Este tipo de reacción produce 4 veces mas energía que la fisión, los elementos para generarla no son radioactivos y además son bastante abundantes en la naturaleza (en el agua de mar por ejemplo). Vamos, que es la panacea.

Lámpara de plasma. Foto Luc Viatour

El único problema es que para conseguir que se fusionen los núcleos (con permiso de la todavía no demostrada y muchas veces ansiada fusión fría) se necesita que el plasma donde se va a producir la reacción este a muchísima temperatura, tanta como por ejemplo la que hay en el interior del sol el cual es básicamente un reactor de fusión gigante. Y cuando digo mucha temperatura no hablo de 45 grados como en la playa, ni de 100 como a la que hierve el agua, ni los 300 grados del microondas a máxima potencia ni ni siquiera de los 1.800 grados que se pueden medir en el interior de un volcán calentito, hablo de entorno a 100 millones de grados centígrados. El problema es evidente, si tenemos un plasma a 100 millones de grados ¿en que recipiente lo podemos poner de tal forma que no se desintegre? tened en cuenta que el acero se derrite a unos 2.000 grados centígrados, a 100 millones se volatilizaría. Bueno, pues aquí es donde entra el concepto de confinamiento magnético.

Foto en el interior de un reactor de fusión tipo Tokamak.

El problema es que el plasma necesario para la fusion es tan caliente que no hay material que pueda soportar el contacto con el (ahí teneis al sol libre de ataduras), no obstante para controlarlo nos podemos aprovechar de algunas de las propiedades del propio plasma, concretamente de la ionización de las partículas que lo componen, es decir, de su carga eléctrica  Generando un campo magnético entorno al plasma podemos dirigir este en la dirección que deseemos evitando que se mueva en determinadas direcciones y hacer que no se aproxime a las paredes del reactor, es decir, confirnarlo magneticamente.

Esquema de un Tokamak

La fusión nuclear es un hecho y ha sido ampliamente demostrada, tanto teóricamente como prácticamente, el único problema es que a día de hoy para conseguir energía derivada de la fusión nuclear tenemos que meter mas energía al sistema de la que producimos, así que por ahora el rendimiento es negativo. Actualmente la investigación de fusión nuclear se centra en 2 tipos de reactores, los Tokamak y los Stellarator. Los reactores Tokamak son toroidales (como un donut) y es el propio plasma el que genera parte del campo magnético de confinamiento. 

Esquema de un Stellarator y sus complicadas bobinas rodeandolo

Los Stellerator sin embargo tienen una estructura bastante mas complicada y el campo de confinamiento se genera en base a bobinas externas. Una de las teóricas ventajas, a pesar de la mayor complejidad técnica, de los Stellerator frente a los Tokamak es que son más apropiados para operar de manera continua que al final es lo que se busca a la hora de tener un reactor que genere energía eléctrica.

Esquema del ITER, un Tokamak, y un señorito abajo para comparar tamaños.

Numerosos equipos científicos trabajan en la fusión nuclear a día de hoy, actualmente el proyecto multinacional ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) es el más importante en este campo. Este proyecto es considerado el tercer proyecto mas caro de la historia (tras la Estación Espacial Internacional y el Proyecto Manhattan responsable del desarrollo de la primera bomba atómica) y cuenta con el apoyo de la Unión Europea, Rusia, Japón, EEUU, China, Corea del Sur e India. El ITER es un gran reactor de fusión del tipo Tokamak y esta actualmente en construcción en Cadarache, al sur de Francia. España propuso Vandellós en Cataluña como posible sede pero finalmente la opción francesa contó con más apoyo dentro de la Unión Europea aunque la entidad jurídica europea que coordina la participación europea en el ITER (que asciende al 45%), la cual se denomina Fusion for Energy, quedó finalmente establecida en Barcelona... algo es algo.

TJ-II del CIEMAT. 

El desarrollo del ITER se basa en las lecciones aprendidas en numerosos reactores de fusión de investigación repartidos a lo largo y ancho del planeta sin cuyas experiencias y aportaciones no se hubiera llegado a donde se ha llegado. Uno de esos reactores precisamente se encuentra en Madrid, concretamente en las instalaciones del CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) situadas en la Ciudad Universitaria.

TJ-II del CIEMAT. Se puede apreciar que es un Stellarator

En el interior del Laboratorio Nacional de Fusión se encuentra el reactor de fusión experimental TJ-II el cual tuve el placer de visitar hace unos años y del cual no hice absolutamente ninguna fotografía. El Heliac flexible TJ-II  es uno de los más importantes experimentos científicos que actualmente se llevan a cabo en España y su instalación data de 1998. Este reactor experimental es del tipo Stellarator y es el resultado del trabajo conjunto de físicos e ingenieros del CIEMAT, del laboratorio estadounidense ORLN de Oak-Ridge y del instituto aleman IPP de Garching, localidad cercana a Munich. No quiero extenderme sobre el Heliac flexible TJ-II ya que no es el propósito de esta entrada, si queréis saber algo más sobre el os recomiendo visitar la página del Laboratorio Nacional de Fusión AQUÍ donde explican de manera fantástica todo lo que tiene que ver con la fusión y con el TJ-II. Yo de lo que quiero hablar es de Greifswald y creo que me he perdido un poco.