La urgencia de la energía de fusión
( Creces, 2006 )
Los altos precios del petróleo y el temor al daño climático por el efecto invernadero, obligan a desarrollar esfuerzos para alcanzar contra el tiempo la energía de fusión.
Desde los años 60, los científicos vienen diciendo que dentro de los próximos 40 años sería posible llegar a producir en la Tierra la energía de "fusión", la misma que produce el sol. Pero ya parece un cuento, porqué el tiempo avanza y se sigue afirmando que en los próximos 40 años será posible alcanzar la energía de fusión. Pero ahora la necesidad se hace más urgente por los inconvenientes de la quema de energía fósil y el alto costo que está alcanzando el petróleo, que hace pensar que ya se inicia el período en que la creciente demanda supera el descubrimiento de nuevos yacimientos (New Scientist, Noviembre 12 del 2005, pág. 52).
Es así cómo se ha concretado una asociación de 6 países para llevar adelante un gran proyecto. Ellos son China, la Unión Europea, Japón, Rusia, Corea del Sur y Estados Unidos, que han tomado la decisión de invertir una suma de 5 mil millones de dólares en el desarrollo de un proyecto experimental concreto, para llegar a construir el llamado "Reactor Termonuclear Internacional Experimental (ITER), o Tokamak, cuyo objeto es lograr una fuente energética ilimitada, que permita el abastecimiento eléctrico necesario para hoy y para siempre, que además sea limpia y no produzca contaminación. Se trata de la energía de fusión (Renacen las Esperanzas en la Energía de Fusión).
El proyecto ha tenido una prolongada discusión, tanto que ya parecía que no se llegaría a acuerdos ni respecto a los aportes y las diferentes responsabilidades, como tampoco a cerca del sitio en que debiera construirse el reactor experimental. Con todo, reunida la comisión a comienzos del presente año, salió humo blanco, llegando incluso a acordar que la construcción sería en Cadarache, en el sur de Francia, a 70 kilómetros de Marsella (Hay Acuerdo para el Lugar de la Construcción del Gran Reactor de Fusión (ITER)). Este sería un reactor experimental, mientras que el definitivo se construiría posteriormente en Japón, en Rokkasho. Según el acuerdo, en este mismo lugar se construirá además un centro llamado "International Fusion Materials Irradiation" (IFMIF), cuyo objetivo será el ensayar los materiales apropiados para la construcción del reactor. El objetivo de estas instalaciones será la de someter diversos materiales por largos períodos a la acción de rayos de neutrones, hasta llegar a determinar si es el acero u otros materiales los que podrían soportar las condiciones interiores de la cámara del reactor de fusión, sin que este se llegue a desintegrar.
La idea básica de la energía de fusión es simple. En lugar de quemar combustibles fósiles y liberar la energía electromagnética almacenada en las uniones químicas que mantienen las moléculas unidas, es llegar a liberar la energía que mantienen juntos a los protones y neutrones dentro del núcleo. Si ello se consigue, la ventaja es enorme, ya que las fuerzas que mantienen unidos a los componentes del núcleo son muchísimo mayores que las fuerzas electromagnéticas de las moléculas. La energía que se libera al disociar el núcleo, es 10 millones de veces mayor que la que se obtiene al liberar la energía química de las moléculas.
El diseño del proceso ya está claro: se toman los isótopos pesados del hidrógeno, el deuterium y el tritium, que tienen uno y dos neutrones por átomos respectivamente y se calientan en una cámara, en forma de doughnut, llamada Tokamak, a una temperatura de 100 millones de °C. Con ello se logra que el deuterium y el tritium se fundan para formar helio, desprendiendo neutrones y junto a ello liberando una colosal cantidad de energía.
La gracia está en construir dicha cámara de reacción, que sea capaz de resistir las condiciones de fusión internas durante largos períodos de tiempo. La realidad es que no se sabe que podría suceder a la estructura del reactor cuando por muchos años estos sean golpeadas por neutrones que viajan a un quinto de la velocidad de la luz. Estos proyectiles sub atómicos, que en gran número vuelan contra las paredes chocando con cada átomo de ellas, puede llegar a hacerlas trizas. "Nadie ha sido capaz aún de someter materiales a estas condiciones", dice Chris Llewellyn Smith, director del comité científico que asesora sobre fusión a los comités políticos europeos. Es por ello que debe hacerse ensayos previos en el IFMIF, con el objeto de ensayar los materiales más apropiados para construir el reactor. Allí se podrá ver si el acero u otros materiales podrían resistir el poder de fusión o si simplemente se desmoronan.
De acuerdo a los tiempos programados, se demoraría 10 años en construir el IFMIF, seguido por varios otros años de ensayos para encontrar los materiales más apropiados para el reactor ITER. Luego tomaría otros 15 años para llegar a domesticar el poder de fusión y poder proyectarlo a nivel comercial. De acuerdo a este esquema, si el IFMIF comenzara a construirse este año, el reactor de demostración podría estar listo para producir electricidad, en el año 2031, la primera planta comercial podría comenzar a funcionar en el año 2048. Si todo va bien, para entonces podría ya existir una o dos maquinas del tipo ITR
Ahora parece posible
Hasta ahora mucho se había hablado de la energía de fusión, pero poco se había concretado. Ahora parece que se pasa a los hechos. Unos pocos años atrás el proyecto parecía haberse enterrado definitivamente. En la década de 1990 no era prioritario destinar fondos de investigación para esta área. En 1998, el gobierno de los Estados Unidos, decididamente le quitó el tapón y el proyecto parecía olvidarse definitivamente, ya que algunos prominentes investigadores hicieron comentarios y predicciones muy pesimistas acerca de las posibilidades de utilización de la energía de fusión. Entre otros obstáculos, sus estudios de simulación mostraban como muy improbable que un reactor alcanzara a la temperatura del plasma que se necesitaba para la fusión de los isótopos de hidrógeno.Pero ahora nuevos estudios y simulaciones, demuestran que las posibilidades de alcanzar las temperaturas necesarias para lograr el plasma, no son tan escasas y al mismo tiempo nuevas investigaciones demuestran que es posible controlar su comportamiento y que el reactor podría perfectamente funcionar (ver recuadro).
Sin embargo, la verdadera razón del cambio de actitud, se debe a las circunstancias políticas que ahora favorecen al proyecto. En este momento existe gran preocupación por los altos precios que están alcanzando el petróleo y las amenazas de un desabastecimiento. Junto a ello, se ha tomado más conciencia acerca de los posibles cambios climáticos provocados por el efecto invernadero. Sumadas estas razones hacen al proyecto más atractivo desde el punto de vista político.
Apenas se vio que era posible que el proyecto se concretara, tanto Francia como Japón, comenzaron a ofrecer nuevos recursos, tratando de disputarse la construcción del ITER en su propio territorio. Japón ofreció incrementar su participación de 30 a 48%, mientras la Unión Europea también ofrecía lo mismo, siempre que se construyera en el suyo. En definitiva se decidió construir el ITER en Francia, y como premio de consuelo el IFMF en Japón. Con todo, no hay ninguna garantía que realmente se cumpla el programa a tiempo, ni incluso que llegue a ser posible del todo.
FUNDAMENTOS DE LA FUSION
ITER es sólo un experimento destinado a entender la física de la fusión y es sólo una etapa previa antes de que se logre construir un prototipo definitivo de utilización de la energía de fusión. Para ello seis países asociados han decidido aportar 5.5 mil millones de dólares y luego otros miles de millones más para la puesta en marcha y su funcionamiento.
Para lograr la fusión entre el deuterium y el tritium, se necesita alcanzar una temperatura de 100 millones de °C. Con ello se crea un fluido de electrones y núcleos en movimiento, llamado plasma.
El mantener el plasma por un tiempo suficiente no es una hazaña. Los investigadores ya mantienen el plasma dentro de un contenedor al vacío en un reactor en forma de doughnut, llamado Tokamak, que es circundado por un campo magnético que mantiene el plasma en su lugar.
Con todo, el plasma sale lentamente del campo magnético a un ritmo que depende de turbulencias extremadamente complejas en el plasma. Las turbulencias son difíciles de estudiar porque son provocadas por partículas cargadas, que al moverse generan sus propios campos magnéticos.
Según los investigadores, esto ha producido una serie de sucesos. Grandes Tokamak en Inglaterra, en Estados Unidos y en Japón, han logrado calentar plasma a una temperatura superior a 100 millones °C. El más grande de estos es el Join European Tour (JET) en el Culhan Science Center en Inglaterra, que tiene 20 metros de alto. Desgraciadamente todas estas máquinas consumen más energía que la que producen. Pero los investigadores de fusión confían que el ITER, que tendrá un volumen seis veces superior que el JET, cambiará todo esto.
Porque puede funcionar
Los investigadores de fusión confían que pueden dominar el plasma en el interior de ITER, e incluso en reactores de fusión más grandes. Ello en base a los recientes avances que ya han logrado.
Flujos zonales: Las turbulencias dentro del plasma no son un gran problema como los investigadores habían temido anteriormente. Los físicos de fusión han encontrado que las turbulencias en gran escala, cerca del centro y los bordes del plasma, pueden causar que regiones más grandes cambien de velocidad y dirección. Más que crear problemas, estas grandes zonas de flujos actúan reduciendo la turbulencia que las crearon, separando elementos turbulentos antes de que tengan la posibilidad de crecer demasiado. "Es como si el plasma se curara a si mismo", dice Steve Cowley, un físico de la Universidad de California en Los Angeles.
Modos en los bordes: El plasma puede producir estallidos explosivos que arrojan energía y material. Estos modos de bordes localizados (ELMs) pueden arrojar suficiente energía como para dañar al reactor. Pero trabajos teóricos, basados en los estallidos solares (el sol es una bola de fusión de plasma caliente), han llevado a una mejor comprensión de los ELMs y se ha estructurado una forma de eliminarlos o limitar su impacto. Ya se ha ensayado una posibilidad en el Tokamak ASDEX en el Instituto Max Planck en Alemania. Ella consiste en el disparo de pequeños pellets congelados de deuterio en los bordes del plasma, para gatillar ELMs más pronto de lo que de otro modo pudiera suceder, lo que resulta en estallidos más pequeños y más débiles. Estos pequeños ELMs pueden actualmente mejorar el plasma, escupiendo impurezas y plasma en una forma controlada.
Nuevas Herramientas: Mejorías en los ensayos y herramientas que han producido los físicos para estudiar el plasma, han demostrado aún en detalles más finos lo que esta sucediendo dentro de él. Estas herramientas permiten a los investigadores estabilizar el plasma aplicando campos, ondas de radio, rayos de partículas, con el objeto de provocar un estado de equilibrio.
Ajustando la forma que el campo magnético se quiebra cerca del centro del plasma y usando ondas de radio para inyectar corrientes en puntos específicos, los físicos pueden crear zonas profundas de baja turbulencia en el centro del plasma. Estas "barreras de transporte interno" (ITBs), fueron observadas por primera vez en las décadas de 1990, en el Tokamak IT60 en Naka, Japón. Mejorías en las herramientas y un mejor entendimiento de la física detrás de ITBs, están haciendo más fácil prevenir las turbulencias con desgarros del plasma.
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