Fusión nuclear: todo sobre la hazaña científica que libera más energía de la que se consume

Durante más de 60 años, los científicos han perseguido uno de los retos físicos más difíciles jamás concebidos: aprovechar la fusión nuclear, la fuente de energía de las estrellas, para generar abundante energía limpia en la Tierra. Ahora, los investigadores han anunciado un hito en este esfuerzo. Por primera vez, un reactor de fusión ha producido más energía de la utilizada para desencadenar la reacción.

El 5 de diciembre, un conjunto de láseres de la Instalación Nacional de Ignición (NIF, por sus siglas en inglés), perteneciente al Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California (Estados Unidos), disparó 2.05 megajulios de energía a un minúsculo cilindro que contenía una pastilla de deuterio y tritio congelados, formas más pesadas del hidrógeno. 

La pastilla se comprimió y generó temperaturas y presiones lo suficientemente intensas como para provocar la fusión del hidrógeno que contenía. En una diminuta llamarada que duró menos de una milmillonésima de segundo, los núcleos atómicos en fusión liberaron 3.15 megajulios de energía, aproximadamente un 50% más de la que se había utilizado para calentar la pastilla.

Aunque la conflagración terminó en un instante, su significado perdurará. Los investigadores de la fusión llevan mucho tiempo tratando de conseguir una ganancia neta de energía, lo que se denomina umbral de rentabilidad científica. "En pocas palabras, se trata de una de las hazañas científicas más impresionantes del siglo XXI", declaró la Secretaria de Energía de EE.UU., Jennifer Granholm, en una rueda de prensa celebrada en Washington.

Al alcanzar el punto de equilibrio científico, el NIF ha demostrado que puede lograr la "ignición": un estado de la materia que puede sostener fácilmente una reacción de fusión. Según Johan Frenje, físico del plasma del MIT cuyo laboratorio contribuyó a que el NIF batiera su récord de funcionamiento, poder estudiar en detalle las condiciones de ignición "cambiará las reglas del juego en todo el campo de la fusión termonuclear".

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El logro no significa que la fusión sea ahora una fuente de energía viable. Aunque la reacción del NIF produjo más energía que la utilizada por el reactor para calentar los núcleos atómicos, no generó más que el consumo total de energía del reactor. Según Kim Budil, director del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, los láseres necesitaron 300 megajulios de energía para producir unos 2 megajulios de energía del haz. "No quiero dar la sensación de que vamos a enchufar el NIF a la red, no es así como funciona", añadió Budil, aunque indicó que se trata de “un ladrillo fundamental".

Aun así, tras décadas intentándolo, los científicos han dado un gran paso hacia la energía de fusión. "Parece ciencia ficción, pero lo han conseguido, y es fantástico lo que han hecho", afirma Ambrogio Fasoli, físico especialista en fusión de la Escuela Politécnica Federal de Lausana.

Diferencias entre fisión y fusión nuclear

Aunque la fusión y la fisión nucleares extraen energía del átomo, funcionan de forma diferente. Las centrales nucleares actuales se basan en la fisión nuclear, que libera energía cuando átomos grandes y pesados, como el uranio, se rompen debido a la desintegración radiactiva. En la fusión, sin embargo, átomos pequeños y ligeros como el hidrógeno se fusionan en otros más grandes. En el proceso, liberan una pequeña parte de su masa combinada en forma de energía.

En los laboratorios, para conseguir que los núcleos de hidrógeno se fusionen en helio es necesario crear y confinar un "plasma" (un gas cargado eléctricamente, en el que los electrones ya no están ligados a los núcleos atómicos) a temperaturas varias veces superiores a las del interior del sol. Los científicos aprendieron hace décadas a desencadenar este proceso de forma explosiva dentro de bombas de hidrógeno, y los reactores de fusión actuales pueden hacerlo de forma controlada durante fugaces instantes.

Desde finales de los años 50 y principios de los 60, los reactores de fusión han tenido el mismo objetivo básico: crear un plasma lo más caliente y denso posible, y luego confinar ese material durante el tiempo suficiente para que los núcleos que contiene alcancen la ignición. El problema es que el plasma es rebelde: está cargado eléctricamente, lo que significa que responde a los campos magnéticos y genera los suyos propios cuando se mueve. Para favorecer la fusión, tiene que alcanzar temperaturas realmente asombrosas. Sin embargo, es tan difusa que se enfría con facilidad.

El físico Riccardo Betti, experto en fusión nuclear por láser de la Universidad de Rochester (Estados Unidos), compara el reto de la ignición de la fusión con la combustión de gasolina en un motor. Una pequeña cantidad de gasolina se mezcla con el aire y luego se enciende por una chispa. La chispa no es masiva, pero no tiene por qué serlo: todo lo que tiene que hacer es encender una pequeña fracción de la mezcla de gasolina y aire. Si esa pequeña fracción se enciende, la energía que libera es suficiente para encender el resto del combustible.

En términos de energía liberada, las reacciones nucleares tienen aproximadamente un millón de veces más fuerza que las reacciones químicas, y son mucho más difíciles de poner en marcha. Los experimentos de fusión anteriores pueden haber alcanzado las temperaturas o presiones adecuadas o los tiempos de confinamiento del plasma adecuados para lograr la ignición, pero no todos esos factores a la vez. "Básicamente, se generó la chispa, pero no fue lo suficientemente fuerte", afirma Betti.

Cómo funciona el método de fusión nuclear de Estados Unidos

El método del NIF para encender el combustible nuclear comienza con una pastilla del tamaño de un grano de pimienta que contiene una mezcla congelada de deuterio y tritio, dos isótopos más pesados del hidrógeno. Esta cápsula se coloca dentro de un cilindro de oro del tamaño aproximado de la goma de borrar de un lápiz, llamado hohlraum, que se monta en un brazo situado en el centro de una gran cámara perforada con láser.

Para desencadenar la fusión, el NIF dispara 192 láseres a la vez contra el hohlraum, que penetran en él a través de dos orificios. Los rayos chocan entonces contra la superficie interior del hohlraum, lo que provoca que éste dispare rayos X de alta energía que calientan rápidamente las capas exteriores de la cápsula, haciéndolas arder y salir despedidas hacia el exterior. La parte interior de esta cápsula se comprime rápidamente hasta alcanzar una densidad casi cien veces superior a la del plomo, lo que obliga al deuterio y al tritio de su interior a alcanzar las temperaturas y presiones necesarias para la fusión.

En 1997, la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos definió lo que significaría "ignición" para la instalación, que comenzó a construirse ese mismo año: cuando la energía de fusión liberada supere la energía de los láseres. La instalación se inauguró en 2009, y alcanzar este umbral llevó más de una década. En agosto de 2021, la NIF registró el mejor experimento de su historia: 1.32 megajulios de energía de fusión liberada por 1.92 megajulios de energía láser inyectada.

El experimento de 2021 demostró que era posible lograr la ignición en el reactor del NIF. Para cruzar finalmente el umbral, los investigadores hicieron algunos ajustes menores, entre ellos operar con energías láser ligeramente superiores. "Cualquier pequeño cambio, si se hace bien, tendrá cambios significativos en el resultado", sostiene Frenje.

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El sueño de una central de fusión

A pesar del éxito del NIF, comercializar este tipo de reactor de fusión no sería fácil. Betti, físico de la Universidad de Rochester, explica que un reactor de este tipo necesitaría generar entre 50 y 100 veces más energía de la que emiten sus láseres para cubrir su propio consumo energético y verter energía a la red. También tendría que vaporizar 10 cápsulas por segundo (cada segundo) durante largos periodos de tiempo. En la actualidad, las cápsulas de combustible son extremadamente caras de fabricar y dependen del tritio, un isótopo radiactivo del hidrógeno de vida corta que los futuros reactores tendrían que fabricar in situ.

Pero la mayoría de estos problemas no son exclusivos de la NIF, y los numerosos laboratorios y empresas de fusión del mundo los están resolviendo. El año pasado, el Joint European Torus (JET), un reactor experimental situado en Culham (Inglaterra), batió el récord de energía de fusión liberada en un solo experimento. En Francia se está construyendo el sucesor del JET, un enorme experimento internacional conocido como ITER. Y empresas privadas de Estados Unidos y el Reino Unido han construido imanes superconductores de nueva generación, que podrían ayudar a crear reactores más pequeños y potentes.

Es difícil decir cuándo, o incluso si, este trabajo dará lugar a un nuevo futuro energético. Pero los investigadores de la fusión ven en esta tecnología una herramienta increíble para la humanidad cuando esté lista, ya sea dentro de 20, 50 o 100 años.

"La fusión es muy compleja pero no lo es demasiado. Sabemos hacer cosas de este calibre: ir a la Luna, por ejemplo, no es sencillo. Conseguir este resultado en fusión tampoco es simple. Pero hemos demostrado que podemos hacerlo", reflexiona Fasoli.