Confusión con la fusión
Daniel Jassby
La fusión se viene anunciando desde hace décadas como la energía del futuro, libre de todos los inconvenientes de la nuclear convencional (fisión). Sin embargo, en este artículo abordamos la factibilidad de una fusión antropogénica, sus costes, combustibles necesarios y consecuencias, muy distintas al tecno-optimismo reinante. Nos lo cuenta un extrabajador del laboratorio físico de plasma en Princeton durante 25 años.
Artículo publicado originalmente en Beyond Nuclear International.
La fantasía de los físicos que debemos rechazar por completo
Los reactores de fusión han sido descritos durante décadas como una fuente energética «perfecta». Sus defensores dicen que cuando se desarrolle a nivel comercial, producirá tal cantidad de energía con tan pocos residuos que no se podrán utilizar para la generación de armas nucleares. Estos defensores también dicen que la fusión no daría lugar a ninguna catástrofe. Es decir, se pondría fin a todas las desventajas de la fisión. Y, como la fisión, un reactor de fusión tendría el beneficio de crear una gran cantidad de energía sin grandes emisiones de CO2.
Pero hay un problema: mientras que es, relativamente, fácil partir el átomo para producir energía (fisión), fusionar dos núcleos de hidrógeno para crear isótopos de helio es un «gran desafío científico» (fusión). Nuestro sol tiene reacciones de fusión constantemente, quemando hidrógeno ordinario a densidades y temperaturas enormes. Pero replicar este proceso en la Tierra, donde no tenemos una presión intensa fruto de la gravedad del núcleo solar, conllevaría alcanzar una temperatura de, al menos, 100 millones de grados centígrados. Es decir, una temperatura seis veces superior a la del propio sol. Los experimentos hasta la fecha han conducido a una generación de energía muy inferior a la necesaria para generar las temperaturas y presiones conducentes a la fusión.
Pero, mediante el uso de prometedoras nuevas tecnologías como el confinamiento magnético y el confinamiento inercial basado en láseres, la humanidad está más cerca de solucionar este problema y conseguir producir energía por medio de la fusión. Generando más energía que la necesaria para iniciar todo el proceso. Hay proyectos multinacionales colaborativos como el Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER), en Francia, donde se empezaron a construir las primeras estructuras en 2010. Se espera comenzar con los primeros experimentos en la máquina de fusión, o tokamak, en 2025.Mientras estamos más cerca de este objetivo, necesitamos preguntarnos: ¿es la fusión una fuente de energía «perfecta»? Tras trabajar durante 25 años en el Laboratorio físico de plasma de Princeton, empecé a reconsiderar la fusión al retirarme. Mis conclusiones son que un reactor de fusión no es perfecto en absoluto y, en muchos sentidos, bastante imperfecto.
Un sol en pequeño
Como he dicho ya, las reacciones de fusión en el sol queman hidrógeno ordinario a unas temperaturas y densidades enormes, sostenidas por un tiempo de confinamiento prácticamente infinito. Esta reacción produce isótopos de helio benignos. La fusión artificial (terrícola), por el contrario, queda limitada por las muy menores densidades de partículas y el mucho más fugaz confinamiento energético. Por tanto, se ve obligada a utilizar iosótopos de hidrógeno ricos en neutrones más pesados, como el deuterio y tritio, que son más reactivos que el hidrógeno ordinario por 24 órdenes de magnitud. Piensen en el número 1 seguido de 24 ceros. Esto permite que la fusión antropogénica resulte posible con una densidad de partículas mil millones de veces inferior y un confinamiento energético un billón de veces menor que con respecto al sol. Los partidarios de los reactores de fusión aseguran que, una vez los desarrollen, supondrán una fuente energética «perfecta» sin compartir ninguno de los problemas de la fisión.
Pero, en oposición a la fusión solar, que usa hidrógeno ordinario, la terráquea que quema isótopos ricos en neutrones desencadena unas consecuencias nada inocuas: los haces de neutrones dinámicos suponen un 80% de la producción energética de la fusión de las reacciones del deuterio-tritio, y un 35% de las reacciones de deuterio-deuterio.
Ahora, una fuente de energía consistente en un 80% de haces de neutrones dinámicos puede ser una fuente de neutrones perfecta, pero cuesta entender que se la señale como una fuente de energía eléctrica ideal. De hecho, estos haces de neutrones conducen a cuatro desafortunados problemas de la energía nuclear: corrupción radioactiva de las estructuras, residuos radioactivos, la necesidad de protección biológica y la potencial producción de armas con plutonio 239. Es decir, más proliferación de armas nucleares y no menos, como dicen sus partidarios.
Es más, si los reactores de fusión fuesen realmente factibles, como asumimos aquí, compartirían muchos de los problemas característicos de los de fisión, como la liberación de tritio, unas desalentadoras exigencias de refrigeración y grandes costes de operación. A esto hay que añadir inconvenientes adicionales exclusivos de la fusión: el uso de combustible (tritio), que no está presente en la naturaleza y debe reponerlo el propio reactor, y el inevitable consumo energético, que reduce considerablemente la electricidad que se puede poner a la venta.
Todos estos problemas son endémicos de cualquier reactor de fusión de confinamiento magnético o de confinamiento inercial, y que use como combustible deuterio-tritio o solo deuterio. Como sugiere el nombre, en la fusión de confinamiento magnético, se utilizan los campos magnéticos y eléctricos para controlar el muy caliente combustible de la fusión. Un material que toma una forma difícil de manejar y controlar, conocida como plasma. En el confinamiento inercial, se recurre a los rayos láser o los haces iónicos para presionar y calentar el plasma. El ejemplo más conocido de la fusión de confinamiento magnético es el tokamak con forma de donut en construcción ahora en el ITER. El ejemplo de la fusión de confinamiento inercial lo tenemos en las microexplosiones inducidas por láseres en la estadounidense National Ignition Facility.
No se puede reponer el combustible de tritio
Las personas que trabajan en la fusión prefieren la reacción de deuterio-tritio porque su reactividad es 20 veces mayor que la de deuterio-deuterio, y aquella es más poderosa con un tercio de la temperatura requerida para esta. De hecho, una mezcla a partes iguales de deuterio y tritio puede ser el único combustible viable para la fusión en el futuro más inmediato. Mientras que el deuterio está presente en el agua, cuesta encontrar tritio porque este isótopo es radioactivo con una vida media de solo 12,3 años. La principal fuente de tritio son los reactores de fisión.
De adoptarse, la fusión basada en deuterio-tritio sería la única fuente de energía eléctrica que no emplea un combustible presente en la naturaleza o convierte en energía un fenómeno natural como la solar, la eólica, la hidroeléctrica o la geotérmica. El tritio se genera mediante la propia energía nuclear.
El tritio consumido por la fusión puede, teóricamente, regenerarse para las reacciones nucleares. Para conseguir este objetivo, debe colocarse una «capa» que contenga litio alrededor del medio en reacción, nuestro amigo el plasma. Los neutrones producidos por la reacción de fusión irradiarán el litio, generando tritio.
Pero existe un gran inconveniente: la capa de litio solo puede cubrir parcialmente el reactor dada la necesidad de un bombeo de vacío, la inyección de combustible y haces en los reactores de fusión de confinamiento magnético, y para haces y eliminación de partículas en reactores de confinamiento inerciales. Sin embargo, el análisis más completo indica que puede haber hasta un superávit del 15% en la regeneración de tritio. Pero en la práctica, cualquier excedente será necesario para mantener la extracción incompleta y el procesamiento del tritio engendrado en la capa.
Reemplazar el tritio quemado en un reactor de fusión, sin embargo, solo aborda una mínima parte de la muy importante reposición del combustible. Menos del 10% del combustible inyectado se quemará en un dispositivo de fusión de confinamiento magnético antes de abandonar la zona de la reacción. La mayor parte del tritio inyectado debe, por tanto, recogerse de las superficies e interiores de la miríada de subsistemas del reactor y reinyectarse entre 10 y 20 veces antes de quemarse por completo. Si solo un 1% del tritio no quemado no se recupera y reinyecta, incluso el mayor superávit posible del proceso de regeneración con la capa de litio no compensaría el tritio perdido. Para comparar, en las dos instalaciones de fusión de confinamiento magnético en las que el tritio se ha utilizado (el reactor de prueba de fusión tokamak de Princeton y el Joint European Torus), no se recuperó nunca un 10% del tritio inyectado.
Para compensar la dependencia de tritio para usarlo como combustible en un reactor de fusión, los reactores de fisión deben seguir usándose para producir suficientes cantidades de tritio. Una situación que conduce a una perpetua dependencia de la fisión, con los mismos problemas de siempre. Porque la producción externa de tritio es increíblemente cara, es aún probable que solo los reactores de fusión que emplean exclusivamente deuterio se vuelvan prácticos en lo que al combustible se refiere. Esta circunstancia agrava el problema de la proliferación nuclear discutida anteriormente.
El consumo de energía parasitario
Además de los problemas con el combustible, los reactores de fusión tienen otro: consumen una gran cantidad de la energía que ellos mismos producen. Lo que en la industria eléctrica se conoce como consumo de energía parasitario, pero a escala mucho mayor de lo que hemos conocido hasta ahora. Esto se deriva de que la fusión tiene dos parásitos distintos. En primer lugar, varios sistemas auxiliares esenciales que deben mantenerse de manera continua incluso cuando el plasma se encuentra inactivo. Es decir, durante cortes planeados y no planeados por igual. Entre 75 y 100 megavatios de electricidad se consumen continuamente para la refrigeración de helio líquido, el bombeo de agua, de vacío, calentamiento, ventilación y aire acondicionado en varios edificios, procesamiento de tritio y demás, como se ejemplifica con las instalaciones del ITER en Francia. Cuando el proceso de fusión se interrumpe por lo que sea, se debe comprar esta energía de fuera.La segunda categoría del consumo parasitario es la energía necesaria para controlar el plasma de la fusión en los sistemas de fusión de confinamiento magnético. Y para prender cápsulas de combustible en sistemas de fusión de confinamiento inercial. El plasma de fusión de confinamiento magnético necesita que se le inyecte una importante cantidad de energía de haces atómicos o energía electromagnética para estabilizar el proceso, mientras que se consume una energía adicional con las espirales magnéticas que ayudan a controlar la localización y estabilidad del plasma en reacción. La electricidad total necesaria para este propósito se lleva, al menos, un 6% de la generada. Y la electricidad para bombear la refrigeración de la capa, un 2%. La producción eléctrica bruta es del 40% de la energía de fusión, así que la energía de circulación implica el 20% de la producción eléctrica.
En la fusión de confinamiento inercial y los reactores de fusión de confinamiento inercial/magnético híbridos, tras cada pulso, la corriente eléctrica debe cargar los sistemas de almacenamiento energético como la batería de condensadores que alimentan los haces de rayos láser o de iones o el forro de la implosión. Las demandas de la energía de circulación son, como mínimo, comparables con los de la fusión de confinamiento magnético.
El consumo de energía descrito más arriba se deriva de la producción energética del reactor. Si la energía de fusión es de 300 megavatios, la producción eléctrica total será de 120 megavatios y apenas cubrirá las necesidades energéticas de la instalación. Al aumentar la energía de fusión, el consumo del reactor de fusión se vuelve un porcentaje inferior, reduciéndose a la mitad cuando se alcanzan los 830 megavatios. Para tener cualquier viabilidad económica, se deben compensar los gastos operacionales y de capital. Y para ello, la nuclear de fusión debe producir miles de megavatios para reducir el consumo parasitario. En resumen, menos de cierta producción (alrededor de 100 megavatios) implica que el consumo parasitario se lleva un porcentaje demasiado alto, incluso para operar la central.
Los problemas del consumo parasitario y la reposición de combustible son, de por sí, significantes. Pero los reactores de fusión tienen otros que también afligen a los de fisión, como el daño por la radiación de los neutrones, los residuos radioactivos, la potencial liberación de tritio, la cargante necesidad de refrigeración, costes de operación externos y el riesgo de proliferación de armas nucleares.
Deterioro por radiación y residuos radioactivos
Para producir un calor utilizable, los flujos de neutrones que contienen un 80% de la energía de la fusión de deuterio-tritio deben ser desacelerados y enfriados por las estructuras del reactor, la capa envolvente que contiene litio, y la refrigeración. El deterioro por la radiación de los neutrones en las paredes de la vasija, con toda seguridad, será peor que en los reactores de fisión por la mayor energía de neutrones. Los neutrones de la fusión también elimina los átomos de sus habituales posiciones en el entramado, causando la fracturación y la expansión de la estructura. Además, las reacciones inducidas por neutrones generan grandes cantidades de helio instersticial e hidrógeno, generando bolsas de gases que contribuyen con mayor expansión, debilitamiento y fatiga. Estos fenómenos hacen peligrar la integridad de la vasija del reactor.
En los reactores con combustible exclusivo de deuterio, más difícil de prender que la mezcla deuterio-tritio, el producto de la reacción de neutrones tiene cinco veces menos energía y los flujos de neutrones dañan menos las estructuras. Pero las consecuencias seguirán siendo muy ruinosas a largo plazo.
El problemas de las estructuras degradadas por los neutrones pueden mitigarse con la fusión, ya que la cápsula del combustible está cercada por una esfera o cilindro de litio líquido con un grosor de un metro. Pero los elementos combustibles se transformarán en toneladas de residuos radioactivos que habrán de retirarse todos los años de todos los reactores. El litio fundido también presenta un riesgo de fuego y explosiones, introduciendo un inconveniente común de los reactores de fisión.
El bombardeo con neutrones de fusión elimina a los átomos de sus posiciones estructurales y, a la vez, los vuelve radioactivos y debilita su estructura, que debe reemplazarse periódicamente. Esto resulta en descomunales cantidades de material altamente radioactivo que debe transportarse fuera de la central para ser enterrado. Muchos componentes no estructurales dentro de la vasija del reactor y en la capa también se volverán radioactivos por la activación de los neutrones. Mientras que el nivel de radioactividad por kilogramo de residuo sería inferior al de los residuos de fisión, el volumen y masa de aquellos serían mucho mayores. Es más, parte del deterioro por radiación y la producción de residuo radioactivo no tendría fin, porque una proporción de la energía de fusión se genera solo para compensar la energía perdida.
Los científicos están intentando desarrollar aleaciones estructurales de baja activación que permitiría la cualificación de materiales del reactor descartados como residuos radioactivos de bajo nivel, de los que se desharían mediante entierros poco profundos. Incluso si dichas aleaciones se volvieran disponibles a escala comercial, muy pocas regiones o países podrán aceptar los vertederos de residuos radioactivos. Solo hay uno o dos almacenes para este tipo de residuos por país, lo que significa que los residuos de la fusión se tendrían que transportar a lo largo del país o incluso más allá, con un gran coste económico y riesgo para la seguridad.
Para reducir la exposición a la radiación de los trabajadores de la central, se vuelve necesaria la protección biológica incluso cuando el reactor no está operando. En un entorno intensamente radioactivo, el equipo de control remoto y los robots serán esenciales para todo trabajo con los componentes del reactor, con el reemplazamiento por deterioro, erosión de partículas o derretimiento. Estas dificultades convertirán reparaciones mínimas en procesos costosos y largos.
La proliferación de armas nucleares
La producción oficial o clandestina de plutonio 239 es posible en un reactor de fusión simplemente mediante la colocación de óxido de uranio natural o gastado en cualquier lugar donde los neutrones de cualquier energía estén volando por todas partes. El océano de los neutrones ralentizados que resulta de la dispersión de los neutrones en la vasija lo impregna todo en el interior del reactor, incluyendo los apéndices de la vasija. Los neutrones más lentos serán absorbidos por el uranio 238, cuya capacidad para absorber aumenta conforme decrece la energía de los neutrones.
Dadas las dudosas perspectivas de la reposición de tritio, los reactores de fusión podrían necesitar la energía de dos reacciones de deuterio-deuterio que tienen la misma probabilidad de producir neutrones y helio 3, o protones y tritio. Ya que la producción de tritio no es necesario, todos los neutrones de fusión están disponibles para cualquier uso, incluyendo la producción de plutonio 239 o uranio 238.
Es todo un desafío alcanzar el umbral de rentabilidad energética con las reacciones de deuterio-deuterio porque su reactividad total es 20 veces inferior a las de deuterio-tritio, incluso con mayores temperaturas. Pero un «reactor de prueba» que se alimenta con deuterio con 50 megavatios para el calentamiento y produciendo solo 5 megavatios de energía de fusión deuterio-deuterio generaría 3 kgs de plutonio 239 anuales al absorber solo el 10% de los neutrones de uranio 238. La mayor parte del tritio de la segunda reacción de deuterio-deuterio se podría recuperar y quemar, y los neutrones de deuterio-tritio producirán aún más plutonio 239, por un total de quizá 5 kgs. A todos los efectos, el reactor transforma electricidad en neutrones y tritio libres, por lo que, si se alimenta con deuterio, puede convertirse en una herramienta para la proliferación nuclear.
Un reactor que se alimenta con deuterio-tritio o solo con deuterio tendrán un inventario de muchos kilogramos de tritio, proveyendo de oportunidades para la nuclear militar. Como con los reactores de fisión, se necesitarían los salvoconductos de la Organización Internacional de la Energía Atómica para prevenirlo.
Desventajas adicionales que se comparten con la fisión
El tritio se dispersará en la superficie de la vasija del reactor, los inyectores de partícula, los conductos de bombeo y demás componentes. La corrosión en el sistema de intercambio térmico, o una brecha en los conductos del reactor, podría resultar en la liberación de tritio radioactivo a la atmósfera o a las masas de agua cercanas. La cercanía de tritio con hidrógeno produce agua tritiada, que es peligrosa para la vida. La mayoría de reactores de fisión contiene unas cantidades residuales de tritio (menos de un gramo) en comparación con los kilogramos de los posible reactores de fusión. Pero la filtración de pequeñas cantidades de tritio radioactivo en las aguas subterráneas supondría un grave peligro para la salud pública.
Evitar esas filtraciones a través del uso de ciertos sólidos sigue siendo un problema sin solución. Durante años, la Administración de Seguridad Nuclear Nacional, una rama del Departamento de Energía estadounidense, ha producido tritio, al menos, en un reactor de fisión propiedad de la Administración del Valle del Tennessee por medio de la absorción de neutrones en barras de control sustitutas que contienen litio. Ha habido una filtración de tritio constante e imparable desde las barras hasta el agua de refrigeración, que vuelve al medio natural, hasta el punto de que ha reducido significativamente la producción anual de tritio.
Es más, hay problemas con la demanda de refrigerante y la pobre eficiencia del agua. Un reactor de fusión es una central térmica con una descomunal demanda hídrica para los bucles de refrigeración secundarios que generan vapor, junto con la necesidad de retirar el calor de otros subsistemas como los refrigeradores criogénicos y los conductos. Aún peor, deben generarse muchos cientos de megavatios, o incluso más, de energía térmica para compensar las dos clases de consumo energético parasitario, lo que genera una mayor presión sobre los recursos hídricos. Estamos hablando de una demanda muy superior a los de cualquier otra central termoeléctrica. De hecho, un reactor de fusión tendría la menor eficiencia hídrica de cualquier central, sea fósil o nuclear. Con las sequías intensificándose en todo el mundo, muchos países no podrían físicamente operar un reactor de fusión.
Se han estudiado varios sistemas de refrigeración alternativos para el circuito primario de eliminación del calor, tanto para fisión como para fusión. Y seguramente los muros de litio líquido con un metro de grosor se vuelvan esenciales para los sistemas de fusión de confinamiento inercial. Solo así se podría aguantar la carga de impulso. Sin embargo, se ha usado agua casi exclusivamente en los reactores de fisión durante 60 años, incluyendo los pocos que se están construyendo a día de hoy. Esta circunstancia indica que implementar cualquier sustituto para el agua de refrigeración, como el helio o el metal líquido, no será práctico para los sistemas de fusión de confinamiento magnético.
Todos los reactores de fusión tendrán unos impresionantes costes de operación
La operación de los reactores de fusión necesitará de personal cuyos conocimientos hasta entonces provendrían de la fisión, como los cuerpos de seguridad o el personal para los residuos radioactivos. Se requerirá también un personal especializado adicional para operar los complejos subsistemas del reactor de fusión, como la criogenia, el procesamiento de tritio, el sistema de calentamiento del plasma y diagnósticos elaborados. Los reactores de fisión de los EEUU requieren de, al menos, 500 trabajadores permanentes con turnos de cuatro semanas, y los de fusión necesitarían al menos mil. En comparación, solo hace falta un puñado de persona para operar plantas hidroeléctricas, centrales de gas natural, aerogeneradores, centrales solares y otras fuentes.Otro gasto de operación imposible de sustraer serían los 75-100 megavatios de energía parasitaria que las instalaciones auxiliares in situ consumirían sin cesar, y que deberían comprar de la red eléctrica cuando la fuente de fusión no opere.
Estos múltiples, constantes e inevitables casos incluyen el reemplazo del material dañado por la radiación, de los componentes erosionados por el plasma en la fusión de confinamiento magnético y la fabricación anual de millones de cápsulas de combustible para la fusión de confinamiento inercial. Encima de eso, cualquier tipo de central nuclear debe asignar unos fondos para la decomisión al final de vida y para el periódico desecho de los residuos.
Es inconcebible que los costes totales de operación de la fusión sean inferiores a los de la fisión. Y, por tanto, el costo capital de un reactor de fusión viable debe ser prácticamente 0 (un 100% de subvención) allá donde los costes de operación de la fisión no son competitivos en relación a otras fuentes de energía y se estén cerrando varias centrales nucleares.
En resumen, los reactores de fusión cuentan con algunos problemas exclusivos suyos: ausencia de un suministro del combustible natural (tritio) y una pérdida descomunal e irreducible de energía eléctrica. Mientras que el 80% de la energía de cualquier reactor alimentado a base de deuterio y tritio se manifiesta bajo la forma de flujos de neutrones, los reactores de este tipo comparten muchos de los problemas de los de fisión. Incluyendo la producción de grandes cantidades de residuos radioactivos y una importante corrosión de los componentes del reactor a manos de la radiación. Estos problemas son propios de cualquier tipo de reactor de fusión de deuterio-tritio, así que abandonar los tokamaks en favor de otros tipos de confinamientos no solucionaría nada.
Si los reactores pueden operar usando únicamente deuterio, entonces el problema de la reposición de tritio desaparece y el daño de la radiación de los neutrones se mitiga. Pero los otros problemas siguen ahí. Y los reactores de deuterio tendrán un muy superior potencial para la proliferación de armas nucleares.
Estos inconvenientes, junto con el colosal desembolso de capital y otros compartidos con la fisión, hacen la fusión aún más difícil a la hora de construir y operar, o alcanzar la viabilidad económica, que cualquier otra forma de energía.
La realidad de la fusión demuestra la falsedad de quienes aseguran que sería una «energía barata, segura, limpia e ilimitada». La fusión terrícola no es la fuente ideal que asegura su clero, sino todo lo contrario. Es algo a evitar.
Traducción de Raúl Sánchez Saura.
Fotografía de portada: Los preamplificadores de la National Ignition Facility. Fuente: Beyond Nuclear International Beyond Nuclear
Fuente: El Salto Diario (https://www.elsaltodiario.com/desconexion-nuclear/confusion-con-la-fusion-i https://www.elsaltodiario.com/desconexion-nuclear/confusion-con-la-fusion-ii, https://www.elsaltodiario.com/desconexion-nuclear/confusion-con-la-fusion-iii)
