En su búsqueda se trata de imitar la maravillosa reacción que utiliza el sol. La idea básica es simple: en lugar de quemar combustibles fósiles y librar la energía electromecánica almacenada en las uniones químicas que mantiene las moléculas unidas, es llegar a liberar la energía que mantiene unidos a los protones y neutrones dentro del núcleo de un elemento. Si ello se consigue, la ventaja es enorme ya que las fuerzas que mantienen unidos a los componentes del núcleo de los elementos son muchísimo mayor 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. Es esta la fuerza motriz que constantemente están liberando el sol y las estrellas (La urgencia de la energía de fusión).

El proyecto trata de imitar lo que precisamente hace el sol y las estrellas. Para fusionarlos utiliza una mezcla de deuterio (H2) y tritio (H3), ambos isótopos del hidrógeno. Para conseguirlo hay que lograr calentarlos a una muy elevada temperatura y una alta presión durante un tiempo suficiente hasta lograr que se fusionen. Si ello se lograse debiera producirse un núcleo de helio (He) y un neutrón, más una partícula alfa y simultáneamente con ello, una gran liberación de energía cinética, que es la que mantiene juntos a los componentes del núcleo (protones y neutrones). La fuerza que los une constituye la llamada "fuerza fuerte", que es muchísimo mayor que la fuerza electromagnética que mantiene unida a las moléculas. Como resultado debe producirse un estado previo que se ha denominado "plasma", un gas ionizado compuesto de partículas cargadas eléctricamente que se desplaza a gran velocidad (figura 1).

Esta reacción es la que los científicos están tratando de imitar, pero lo difícil es alcanzar y mantener dichas altísimas temperaturas durante el período requerido para que se inicie el proceso de fusión. Una vez iniciado, este se mantendría por sí mismo. Al lograrse la fusión del deuterio y tritio podría la humanidad disponer de una fuente inagotable de energía limpia, ya que en la Tierra existen grandes cantidades de isótopos de hidrógeno (deuterio y tritio) mezclados en el agua de mar. Puede decirse que en un volumen de 50 metros cúbicos de agua de mar hay suficiente deuterio que al fusionarse podría producir suficiente energía eléctrica como para abastecer a una población de un millón de habitantes (Fusión por láser).



Los proyectos de fusión son varios

Reactor termonuclear Internacional Experimental (ITR): ya hace algunos años (2005) un grupo de países aceptaron ponerse de acuerdo para llevar adelante un gran proyecto para construir el llamado "Reactor Termonuclear Internacional Experimental" (ITER) o Tokamak, cuyo objetivo era desarrollar y construir un diseño experimental para tratar de demostrar que era posible lograr una fuente energética ilimitada que permitiera el abastecimiento eléctrico necesario en forma permanente, limpio, y que no produjera contaminación. Los países involucrados eran China, Japón, Rusia, Corea del Sur, India, Estados Unidos, y la Unión Europea. Durante varios años el proyecto sufrió muchas vicisitudes y hubo momentos en que parecía que no iba a prosperar (Decaen las esperanzas del proyecto del reactor nuclear). (Renacen las esperanzas en la energía de fusión). Pero en la actualidad ya se ha comenzado a construir el reactor y se piensa que estaría listo para el año 2025 (figura 2).

El proyecto viene gestándose desde el año 1988, y llegó a un acuerdo final en el año 2006, con un presupuesto estimativo de 5 mil millones de Euros que debiera financiarse entre los diversos países asociados. En la actualidad ya se ha comenzado su construcción en Cadarache, al sur de Francia, pero los costos son muy diferentes; se han elevado a 15 mil millones de Euros (Hay acuerdo para el lugar de la construcción del gran reactor de fusión (ITR). En el camino se fueron encontrando muchos factores retardantes, debido tanto a la complejidad de proyecto, como a la burocracia de los acuerdos financieros con los diferentes países asociados y finalmente, antes de comenzar la construcción, hubo que adaptarlo a las demandas regulatorias que exigía Francia, país en que el reactor se va a instalar.

Con este proyecto experimental, a ITER le interesa demostrar que la fusión nuclear es factible y que con ella podría producir más energía que la que el proceso consume. ITER, diseñado en forma de un donut, encierra en el centro una cámara de reacción llamada Tokamac, capaz de contener 850 metros cúbicos de gas hidrógeno super caliente, a partir del cual debiera producir 500 megawatios de poder cada 300 segundos a partir de 50 megawatios de energía que se le aportan.

Para que ello suceda es necesario que el gas de hidrógeno alcance una temperatura de 150 millones de C°, hasta formar un plasma y con ello fundir el deuterium y el tritium, formando helio y desprendiendo neutrones para llegar a liberar una colosal cantidad de energía (figura 1). Lo que se está tratando de hacer es construir dicha cámara de reacción capaz de resistir las condiciones de fusión interna durante largos períodos de tiempo. En la actualidad no se sabe que podría suceder a la estructura del reactor cuando por mucho tiempo estas se estarían golpeando por neutrones que chocarían con sus paredes hasta probablemente hacerlas trizas. Hasta ahora nadie ha sido capaz de someter materiales a estas condiciones tan extremas (figura 2).

Cuando esté terminado será un enorme reactor que alcanzará una altura superior a tres veces la torre Eiffel. Los científicos piensan que usando potentes supermagnetos en su interior, permitiría mantener el plasma a las altas temperaturas durante el tiempo necesario para iniciar el encendido del proceso de fusión. La gran dificultad está en alcanzar y mantener esas altas temperaturas durante el tiempo suficiente para que se produzca la fusión de los núcleos. Piensan que mediante fuertes campos magnéticos ubicados en forma de espiral se prevendría que el plasma golpeara contra las paredes frías del reactor ya que estas lo enfriarían imposibilitando la fusión.

Lo importante es lograr iniciar la dinámica de la reacción de fusión, la que posteriormente debiera auto mantenerse con una continua ganancia energética. El problema está en alcanzar el llamado "encendido" inicial.

Fusión nuclear por láser: Otro proyecto es el que han estado desarrollando científicos del National Ignition Facility (NIF) en Levermore, California. Ellos también están trabajando para lograr una reacción de fusión que se auto mantenga con una ganancia energética constante. Para ello es preciso previamente alcanzar el llamado "encendido". Es que el reactor como un todo, para operar necesita más energía que la cantidad que produce. Lo que los investigadores de NIF han estado intentando lograr el llamado efecto de "encendido" mediante la aplicación de rayos láser. Para ello han desarrollado una técnica que les permite disparar 192 rayos láser concentrándolos dentro de la cámara de oro, que contiene un pellet de deuterio y tritio, ambos isótopos del hidrógeno. Al dispararlos sobre la cámara de oro se convierte la energía láser en pulsos de rayos X. Con ello conseguirían que el contenido interno explote, logrando la fusión que permitiría iniciar el encendido (figura 3 y 4) (Fusión por láser).(Un paso más a la energía de fusión mediante el láser).

La verdad es que los investigadores de NIF han estado trabajando el tema desde el año 2009, pero hasta ahora el progreso logrado ha sido escaso. De acuerdo a lo establecido, debieron haber entregado ya el resultado al Congreso de USA en el año 2012, pero no lo han logrado. A pesar de ello han obtenido financiamiento para un nuevo período, argumentando la introducción de una nueva modificación tecnológica. Afirman que han conseguido la anunciada ganancia energética (Nature, DOI:1038/naturel 3008). En el experimento aludido, se entregó 10 kilojoules de energía al pellet, lo que liberó aproximadamente 15 kilojoules. Afirman que de acuerdo a sus propósitos van por buen camino.

Accelerating Low-Cost Plasma Heating and Assembly (ALPHA): El año recién pasado (2015), otro grupo de investigadores del Advanced Research Project Agency de U.S., ya han invertido 30 millones de dólares en nueve pequeños proyectos dentro de un programa global de fusión, llamado Accelerating Low-cost Plasma Heating and Assembly. Uno de los proyectos más representativo llevado a cabo en Tustin, California, consistía en aplicar al plasma una corriente eléctrica hasta que este se comprimiese lo suficiente e indujese la fusión. Cabe señalar que ya en 1958 científicos de Los Alamos National Laboratory habían usado este método logrando la fusión por primera vez en el laboratorio. En otro proyecto alternativo, para conseguir la fusión se ha construido un instrumento que usa ondas de shock propagadas a través de metal líquido. Dentro del mismo paquete de programas, Tri Alpha Enery está construyendo un rayo colisionador de 23 metros de largo que descarga partículas que inducen la fusión. A su vez, Lockheed Martin dice estar trabajando en un reactor de fusión magnética del tamaño de un contenedor de barcos, que en una década estaría comercialmente disponible. Con todo, algunos científicos comprometidos en grandes proyectos de fusión, miran con escepticismo las sugerencias de ALPHA (figura 5).

Wendelstein 7-X (W7-X): Se trata de un reactor desarrollado en Alemania a la que han llamado "Estellador", cuyo principio es semejante al ITR, pero que dicen tener otros atributos que le dan mejores perspectivas de éxito en el proceso de fusión. La novedad del diseño del Estellador consiste en que se genera un campo magnético no uniforme, ni simétrico, con lo que las derivaciones de las partículas de gas en determinadas regiones se compensen con las de otras regiones. Por ello se ha construido con derivaciones helicoidales del plasma, con lo que los investigadores esperan mantener el gas supercaliente (plasma), en forma más estable que lo que se ha diseñado en la tradicional forma de donut del tokamak de ITR. Para ello se han diseñado diferentes bobinas de distintas formas con lo que mantendrían el gas super caliente más estable (Science 23 de Octubre 2015, p.369) (figura 6). De este modo se conseguiría que el gas (el plasma) se desplazara en forma más estable y por ello no tendría el problema de las tendencias a desplazarse hacia las paredes como ocurre con el tokamaks. Desgraciadamente ello lo hace extremadamente difícil de construir con lo que se elevan los costos y se retrasarían los futuros reactores que hubiese de construir (figura 7).

El dispositivo W7-X, Con un costo de 435 millones de dólares, después de nueve años de construcción y pruebas, los investigadores del Max Plank Institute for Plasma Physics, en Grewifswald, por primera vez lo encendieron en noviembre del 2015, pero esta vez usaron helio como gas, porque era más fácil de calentar y a su vez tiene la ventaja de "limpiar" cualquier partícula de suciedad que pudiera haber quedado durante la construcción. Ahora en febrero del 2016 se ha puesto de nuevo en marcha, pero en este segundo ensayo el reactor se ha llenado con hidrógeno. Esta vez el encendido fue solemnizado con la presencia de la canciller Angela Merkel (que también es doctora en física). En esta ocasión ella afirmó: "como una nación industrial, quiero mostrar que una fuente de energía accesible, segura, confiable y sustentable, es posible sin una pérdida de competitividad económica. Las ventajas de la energía de fusión son obvias".

Configuración de campo revertido (FRC): La empresa Tris Arpa Energía, Los Angeles U.S.A., ha anunciado recientemente (2015) que han logrado construir una máquina que forma un globo de gas supercaliente, con una temperatura de alrededor de 10 millones de grados Celsius y han logrado mantener estable sin decaer por 5 milisegundo. Obviamente este tiempo es muy corto para alcanzar la fusión, pero según ellos están satisfechos ya que es la primera vez que han podido mantener estable el gas caliente de fusión o plasma, aunque sólo fue por una pequeña fracción de segundo. Según ellos lo que han conseguido es mantener el plasma domesticado, lo que es un paso importante para llegar a la fusión. Ahora los científicos esperan ir mejorando los tiempos y temperaturas suficientes como para que se llegue a producir la fusión de los núcleos.

Tri Alpha pretende ahora desarrollar una máquina más barata que las que han desarrollado ITER y NIF. Simultáneamente pretenden cambiar el combustible por una mezcla de hidrógeno y Boro, en lugar de los isótopos de hidrógeno. Los científicos de Tri Alfa reconocen que con esta mezcla la reacción es más difícil, pero ella tendría la ventaja de no producir un flujo destructivo de neutrones, lo que podría suceder si se utilizaran las plantas de fusión de ITER y NIF.

La máquina de Tri Alpha también tiene la forma de donut, pero la diferencia está en generar su propio confinamiento de campo magnético. Esto es lo que llaman "configuración de campo revertido". El reactor trabaja con un tubo C-2 de 23 metros de largo, rodeado por magnetos. Esta forma dos anillos de plasma que, al dispararlos hacia el centro a una velocidad cercana al millón de kilómetros por hora, se deben mezclar y transformar su energía cinética en calor (figura 8). Sin embargo, hay dudas expresadas por expertos no participantes del proyecto, a lo que los científicos del FRC reconocen que no han sido aún examinado por pares evaluadores, pero afirman que están preparando un "paper" para enviarlo a publicación y allí será la ocasión de ser evaluado previamente por pares evaluadores.

Consultado Jon Menard, físico especialista en plasma del Plasma Physics Laboratory, en New Yersey, que no está comprometido en el proyecto, cree que este es interesante, pero que su primera impresión es que el reemplazo del combustible de isótopos del hidrógeno por hidrógeno-boro, no parece muy promisorio, ya que este toma 30 veces más tiempo para cocinarse y sólo se obtendría la mitad de energía por partícula".

En resumen, no cabe duda que para obtener la energía de fusión ya se están haciendo grandes esfuerzos en diferentes partes del mundo, pero al mismo tiempo persiste un cierto pesimismo respecto a más de algún avance anunciado. Ojalá que estos se vayan aclarando y en algún momento se llegue a concretar el anhelo de disponer de energía de fusión para beneficio de toda la humanidad.