¿Está la solución en la energía de fusión?
Un científico atómico analiza francamente los obstáculos que hay que eliminar antes que la energía de fusión se pueda usar para satisfacer las necesidades energéticas
SIN LA MENOR DUDA, el desafío de controlar la fusión (un proceso de combinación) es verdaderamente tentador. Si pudiéramos efectuar tan siquiera una de las diferentes reacciones de fusión, por ejemplo la que envuelve dos átomos de deuterio (la núm. 4 en la tabla de la página 20), pudiéramos explotar un abastecimiento de combustible interminable. Una de cada 3.000 moléculas de agua en el mundo entero, incluso los grandes océanos, contiene un átomo de deuterio. ¡Piense en ello! En medio litro de agua está el potencial de suministrar 400 kilovatios-hora, suficiente para suplir electricidad a su casa durante todo un mes. Y nos libraríamos de los crecientes amontonamientos de productos radiactivos de la fisión que se producen en las centrales nucleares de la actualidad. ¿No es ésa una solución prometedora al problema de la energía?
El aparato llamado ciclotrón sirve para estudiar estas reacciones, pero no para producir energía susceptible de utilización práctica. Se requiere una gran cantidad de energía para hacer que millones de partículas se muevan con suficiente velocidad como para reaccionar, pero solo unas cuantas de ellas chocan contra otros átomos y compensan por el esfuerzo con energía; las moléculas restantes despiden su energía en porciones pequeñas y no dan rendimiento que valga. En el experimento se utiliza mucha más energía de la que se puede recobrar.
El secreto de la superioridad del Sol es que su interior es tan caliente que las partículas mantienen su alta velocidad al pasar de una colisión a otra, hasta que por fin reaccionan. Así es que el lector puede ver por qué es tan difícil obtener un proceso práctico de fusión en la Tierra. De algún modo tenemos que hacer un pequeño duplicado del interior del Sol. Pero, ¿de qué manera puede calentarse algún hidrógeno hasta que alcance una temperatura de millones de grados, y cómo se le puede mantener junto hasta que reaccione? Ningún material conocido podría contener el hidrógeno en esa condición. Las sustancias de mayor resistencia a las temperaturas altas se derriten y evaporan a unos cuantos miles de grados.
Cierto, los científicos han demostrado el poder de la fusión en la Tierra, pero solo en la explosión de la terrible bomba de hidrógeno. Por supuesto, todo lo que se encuentra en el interior y alrededor de la bomba se evapora y vuela de allí en una fracción de segundo. ¿De que manera podría domeñarse a un monstruo tan feroz a fin de utilizar su energía?
La fusión en confinamiento magnético
Aunque parezca imposible, hay una manera en que quizás se pueda superar este problema aparentemente insuperable. Es por medio de usar aislamiento térmico magnético. Este método funciona de la siguiente manera. Por medio de descargas eléctricas se calienta el hidrógeno a una temperatura tan alta que se convierte completamente en partículas llamadas iones. Solo hay entonces núcleos positivos y electrones negativos. A ese estado de la materia se le llama plasma. Si se rodea el plasma con un campo magnético fuerte, las partículas cargadas, o iones, no pueden desplazarse en líneas rectas, sino que se ven obligadas a seguir trayectorias angostas en forma de espiral. Si al campo magnético se le da la configuración apropiada, esas trayectorias espirales se reflejan desde los dos extremos del recipiente, el cual se convierte en una “botella magnética.”
En otro diseño, las trayectorias se tuercen en forma de círculo en el interior de un campo en forma de rosca llamado toro (un anillo cerrado). En esos dispositivos, los protones y electrones no pueden ponerse en contacto con las paredes del recipiente de metal que los contiene, y se les puede calentar a una temperatura de millones de grados, mientras que el recipiente se mantiene frío. El dispositivo de esta clase que más éxito ha tenido fue llamado tokamak por los científicos rusos que lo inventaron.
Prescindiendo de la forma en que se confine el plasma por medio del campo magnético, hay que satisfacer tres condiciones para comenzar y mantener la fusión. Esas condiciones especifican la temperatura, la densidad y el tiempo.
Primero, es preciso calentar el plasma hasta la temperatura de ignición. La reacción de los átomos de deuterio y tritio empieza a arder a la temperatura de ignición más baja, aproximadamente 46.000.000 de grados C. Es posible calentar el plasma por medio de pasar una corriente eléctrica a través de él, o por medio de introducir en él un haz de átomos de alta energía. Pero algo que siempre trabaja en contra de la reacción de fusión es la pérdida de energía producida por colisiones incidentales. Estas producen rayos X, que escapan sin dificultad a través del campo magnético, y de ese modo reducen el calor del plasma. El plasma tiene que estar lo suficientemente caliente como para que la energía producida por la fusión supere esta pérdida, a fin de que se logre el punto inicial de una reacción que se pueda automantener.
En segundo lugar, hay que comprimir el plasma a fin de apiñar las partículas en una densidad sumamente alta, 100 billones (1014) o más de ellas en cada centímetro cúbico. Y, finalmente, es preciso mantener esas condiciones por un intervalo lo suficientemente largo como para que se efectúe el número mínimo de colisiones. El producto de la densidad multiplicada por el tiempo en segundos debe llegar a por lo menos 60 billones (60 x 1012). Matemáticamente, a ese número se le llama el parámetro de confinamiento. Este número nos dice que si, por ejemplo, la densidad máxima se puede contener por una décima de segundo, esa densidad tiene que ser de por lo menos 600 x 1012 para que se alcance entre el deuterio y el tritio una fusión que se pueda automantener.
Es posible comprimir el plasma por medio de fortalecer rápidamente el campo magnético. Eso no solo aumenta la densidad del plasma, sino que contribuye a calentarlo. Entonces, si al campo magnético se le ha dado la configuración apropiada y éste puede mantener al plasma junto por suficiente tiempo, se produce la fusión. Es desilusionador el hecho de que ha resultado sumamente difícil hacer esto. El plasma es una materia exasperantemente escurridiza. Halla un punto débil en el campo magnético y se mete a fuerza por él y hace una bolsa por la cual escapa velozmente. El efecto es como cuando se infla demasiado una cámara o tubo interior sin que tenga el apoyo de la cubierta del neumático.
Se han empleado muchos años y muchos millones de dólares en esfuerzos malogrados por vencer las inestabilidades. Solo durante los dos últimos años se han efectuado algunos experimentos que dan la esperanza de que los esfuerzos hercúleos por domeñar el caprichoso plasma quizás al fin tengan buen éxito. En el Instituto de Tecnología de Massachusetts un tokamak, llamado “Alcator,” logró un parámetro de confinamiento de 30 billones. Pero la temperatura fue demasiado insuficiente, pues solo alcanzó a aproximadamente 10 millones de grados. En una prueba posterior efectuada en Princeton, su Gran Toro (dispositivo en forma de anillo cerrado) alcanzó una temperatura de 75 millones de grados, lo suficientemente alta, por primera vez, para encender la reacción de deuterio-tritio. Pero en ese punto el parámetro de confinamiento no pasó de un billón. De modo que la llama de la fusión de nuevo vaciló y se apagó antes de que en realidad estuviera encendida.
Estos experimentos en que se ha llegado tan cerca de alcanzar el equilibrio entre la energía que se produce y la que se consume han alimentado las esperanzas de que la próxima generación de tokamaks, más grandes y más costosos, traerán éxito. En los próximos dos o tres años se construirá uno en Princeton, en los E.U.A., y uno en Europa, en Culham, Inglaterra. Cada uno costará aproximadamente 300 millones de dólares. Si esas máquinas logran demostrar con éxito la fusión controlada, entonces los físicos nucleares estarán listos para hacer frente a los otros obstáculos que se alzan en la trayectoria hacia un reactor de fusión comercial.
Un problema que asoma amenazadoramente es la acumulación de las impurezas en el plasma, lo cual tiende a corromperlo. La pérdida de rayos X que se mencionó antes se hace mucho más grande a medida que aumenta el número atómico. Hasta el elemento gaseoso helio ocasiona una pérdida ocho veces mayor que la ocasionada por el hidrógeno. El oxígeno es 500 veces peor. Esto significa que a fin de poder producir energía de fusión útil hay que mantener el plasma en una condición de extremada limpieza.
Si se pudieran resolver todos esos problemas, ¿cómo sería una central de energía de fusión? Un diseño efectuado en la Universidad de Wisconsin, basado en los datos más optimistas que hay disponibles hasta ahora, nos suministra una idea. El tubo tórico o de forma de rosca tendría 27 metros de alto y 44 metros de diámetro. Se construiría en 12 secciones en forma de torta, cada una de las cuales pesaría 3.500 toneladas. El edificio que lo alojaría sería de 102 metros de alto y 120 metros de diámetro, aproximadamente el tamaño del Astrodome, famoso estadio cubierto en forma de domo de la ciudad de Houston, Texas, E.U.A. Sería preciso fabricar esas grandes secciones de modo que satisficieran las más rigurosas normas de vacío extremo. Los imanes gigantescos que las envolverían serían enfriados por medio de helio líquido hasta dentro de cuatro grados del cero absoluto (-273°C).
Cuando la central esté en funcionamiento, y su carga de deuterio y tritio esté circulando en el toro o tubo tórico a temperaturas de fusión, generará 1.400 megavatios. Pero será preciso detener toda la monstruosa central cada 90 minutos, a fin de extraer las impurezas y reemplazar el combustible. Quince veces al día, durante 6 minutos en los cierres periódicos, será preciso valerse de otra fuente para abastecer de energía la red eléctrica. ¡Poco sorprende el que los administradores de servicios públicos no estén muy deseosos de hacerse cargo de un gigante tan caprichoso!
Fusión por medio de laser... el método de inercia
Recientemente se reveló otro modo posible de controlar la fusión, que se había desarrollado en secreto. Se le llama el método de inercia. En un dispositivo de esta clase se enfocan simétricamente varios haces de laser desde toda dirección de modo que se crucen en un punto común. A través del punto de convergencia se deja caer un globo de vidrio o pastilla de tamaño microscópico que contiene una mezcla de deuterio y tritio. Cuando éste está en la posición exacta, se disparan los haces de laser. Todos chocan contra la esfera simultáneamente, y calientan la pastilla con una energía de millones de kilovatios durante una fracción de una mil millonésima de segundo. El calor súbito evapora la pastilla, y al estallar la cubierta de cristal exterior, empuja el gas hacia adentro, en un estallido interno. Esto hace que el combustible alcance instantáneamente una temperatura que se calcula en 10 millones de grados, y comprime el gas hasta darle una densidad 200 veces mayor que la normal. Aunque la temperatura es considerablemente inferior a la temperatura de ignición, es lo suficientemente alta como para ocasionar alguna fusión. En algunas pruebas se han formado hasta 10 millones de neutrones. Casi inmediatamente la masa estalla en toda dirección, pues no hay nada que la mantenga junta. La fusión continúa solamente mientras la inercia de la masa hace que los átomos de hidrógeno se mantengan juntos; tan pronto como la intensa presión hace que la masa estalle, la fusión se detiene.
En cuanto a que se pueda alcanzar un pronto desarrollo y perfeccionamiento de la producción de energía por fusión, parece que este método es más prometedor que el del confinamiento magnético. Pero la etapa actual de éxito no pasa de ser una demostración de que parece que la idea es científicamente sólida. Para disparar el haz de laser se requiere una cantidad de energía miles de veces mayor que la energía que se produce en los experimentos. Una vez que se produzcan laseres más potentes, se podrá alcanzar una temperatura más alta y habrá fusión más eficaz. Para alcanzar el punto en que se produzca tanta energía como la que se requiere para poner en función los laseres, será preciso diseñar laseres que tengan de 10 a 100 veces más potencia que los mejores laseres de hoy día.
Pero el llegar al punto de no ganar ni perder energía es muy diferente de no perder ni ganar en cuanto al costo. Aun si fuera posible construir laseres con la potencia necesaria, solo se podría obtener una pequeña cantidad de energía de cada pastilla. A fin de lograr energía utilizable sería necesario disparar los laseres centenares o miles de veces por minuto, mientras que habría que dejar caer la misma cantidad de pastillas a través del punto que fuera el blanco de los laseres. Se requerirá un gran esfuerzo para extender el tiempo de vida útil de los generadores de laseres y para fabricar millones de microesferas a precio razonable.
Fusión: ¿Limpia o no tan limpia?
El problema que plaga a ambos métodos de fusión es la contaminación radiactiva. Esto es cierto a pesar de las aserciones que a veces se hacen en cuanto a que la energía de fusión evitará la maldición de la energía de fisión. Algunas reacciones de fusión (las núms. 4 y 5) envuelven el tritio, el isótopo radiactivo del hidrógeno. Estas reacciones también producen neutrones, que, escapando, penetran en los materiales circundantes y los hacen radiactivos. Al examinar la tabla de las reacciones de fusión, podemos ver que las reacciones que se efectúan en el Sol son “limpias.” No envuelven radiactividad alguna. Pero la única otra reacción en la que eso es cierto es aquella (la núm. 6) que se efectúa entre el deuterio y el helio-3. Desafortunadamente, estas reacciones limpias requieren una temperatura de ignición sumamente alta.
Porque la reacción entre el deuterio y el tritio (la núm. 5) tiene la temperatura de ignición más baja, es la única que se usa en la investigación actual, y es la que se usará en las primeras centrales de energía de fusión. Esta reacción produce muchísimos neutrones, muchos más, por unidad de energía, que los que produce la fisión del uranio. Estos harán sumamente radiactivo todo lo que esté en el reactor y alrededor de éste. De modo que será peligroso el manejar y desechar las piezas del reactor cuando sea necesario repararlas o reemplazarlas.
Además de la radiactividad, hay que considerar el daño que sufre la cubierta de metal del reactor, porque los neutrones sacan de su lugar a los átomos mismos. Esto debilita el material, de modo que, por ejemplo, es probable que las secciones en forma de rosca del reactor magnético solo duren de dos a cinco años. La tarea de trasladar de la central estas colosales estructuras radiactivas, que pesan más de 3.500 toneladas y tienen más de nueve pisos de altura, y deshacerse de ellas, presenta un desafío pasmoso. La cantidad de desperdicio radiactivo de una central de energía de fusión pudiera llegar a ser mayor que el desperdicio radiactivo de las centrales nucleares de hoy día.
Otro punto que a menudo se pasa por alto es el hecho de que el tritio mismo es radiactivo. El tritio se encuentra en cantidades muy pequeñas en la atmósfera, pues es producido por reacciones de los rayos cósmicos. En cuanto a cantidad de unidad por cantidad de unidad (curie), el tritio no es tan peligroso como el yodo y el estroncio, productos de la fisión, pero la cantidad de tritio que hay que tener en inventario para una central de fusión sería de centenares de millones de curies. Es inevitable que haya algún escape; como cosa de rutina, los escapes se pudieran mantener en cantidad tan baja como la de 10 curies al día. Pero un escape accidental —después de todo, el hidrógeno mezclado con aire es explosivo— se combinaría rápidamente en forma de agua y se diseminaría irrecuperablemente por todo el mundo. La pérdida de tritio de tan solo una central podría aumentar la concentración de este elemento en la atmósfera del globo terráqueo en 1000 por ciento.
De vez en cuando en los E.U.A. se oyen noticias optimistas acerca de un nuevo descubrimiento importante que facilitará un poco más el adelanto hacia la energía de fusión. Parece que esos descubrimientos por lo general acontecen precisamente para cuando llega el tiempo para la solicitud anual al Congreso de más fondos para ensanchar la investigación. Pero la realidad escueta es que, hasta si se pudieran salvar todos los obstáculos que se reconocen ahora, la producción económica de energía de fusión todavía estaría muy distante en el futuro. Edward Teller ha dicho que no se podrá producir energía utilizable por medio de la fusión de laser sino hasta de aquí a dos generaciones.
Energía ilimitada producida por fusión
En realidad, si uno fuera a construir mentalmente una central de energía de fusión ideal, sería algo parecido a esto: Primero, tome una cantidad lo suficientemente grande de hidrógeno como para que éste se mantenga junto por medio de la gravedad; eso resuelve todos los problemas del confinamiento. La compresión gravitatoria de esta bola de hidrógeno aumentaría su temperatura y densidad lo suficientemente como para encender la reacción de fusión. El equilibrio entre la gravedad y la presión interna automáticamente establecería la velocidad de la reacción, de modo que ésta no ardiera ni demasiado flojamente ni se saliera de control.
En vez de construir complejas estructuras que no dejaran salir la radiación, reduciríamos la radiación a un nivel seguro por medio de sencillamente colocar el reactor nuclear a una distancia tolerable, digamos a 160 millones de kilómetros. En vez de construir cables para transportar la energía hasta nosotros, sencillamente dejaríamos que ésta nos llegara en forma de energía radiante, calor y luz. Y, por fin, para protegernos de cualesquier protones o neutrones que se escaparan del reactor, solamente tendríamos que envolvernos en un débil campo magnético a fin de desviar esas partículas, y en una capa de aire que las absorbiera.
Por supuesto, el lector reconoce que esa clase de reactor de fusión es precisamente lo que el Creador nos ha suministrado, en el Sol. ¡Qué agradecidos debemos estar de que el sabio Hacedor y Fuente de toda la energía haya dado una fuente de energía ilimitada a todos los habitantes de la Tierra! Y esa energía es completamente gratuita. No recibimos una cuenta mensual de servicios públicos por ella.
[Comentario en la página 19]
‘Si una central energética de fusión estuviera en funcionamiento, habría que detener la operación de tal monstruosidad cada 90 minutos, a fin de extraer las impurezas y reemplazar el combustible.’
[Comentario en la página 21]
“La realidad escueta es que, hasta si se pudieran salvar todos los obstáculos que se reconocen ahora, la producción económica de energía de fusión todavía estaría muy distante en el futuro.”