El hito científico de 2022, la fusión nuclear, explicado para todos los públicos

Las centrales nucleares actuales funcionan por fisión nuclear (fisión, con i, no fusión) que consiste en obtener energía rompiendo átomos. En cambio la fusión nuclear consiste en obtener energía uniendo átomos.

Los átomos están formados por un núcleo con partículas con carga positiva, los protones, y partículas sin carga, los neutrones. Alrededor del núcleo orbitan unas partículas con carga negativa, los electrones. El número de protones de un átomo se llama número atómico y es lo que le da su identidad, así un átomo con un solo protón será el elemento químico hidrógeno, un átomo con dos protones será el elemento químico helio, un átomo con veinte protones será calcio, con veintiséis será hierro y con noventaidós será uranio, y así hasta completar los 118 elementos químicos que componen todo lo que conocemos y que hemos ordenado en la Tabla periódica de los elementos.

Romper o unir átomos para transformar unos elementos en otros cuesta mucha energía, pues los átomos están muy cómodos como están. Sin embargo, en cuanto empiezan a unirse o a romperse, liberan tanta energía que el resto de los compañeros les siguen en una reacción en cadena. Con las centrales nucleares hemos conseguido controlar a antojo esas reacciones en cadena de fisión nuclear, obteniendo una de las fuentes de energía más eficientes, seguras y limpias.

Para la fisión nuclear se utilizan átomos de elementos como el uranio, obteniéndose elementos más ligeros. En cambio para la fusión se utilizan átomos de elementos como el hidrógeno para obtener helio. Por tanto, se unen elementos con un protón en su núcleo para conseguir elementos con dos protones. Para lograr esto hay que vencer la repulsión que sienten entre sí las partículas con la misma carga eléctrica, lo que se conoce como barrera de Coulomb.

El sol es una estrella con tanta gravedad y temperatura que logra superar la barrera de Coulomb uniendo átomos entre sí. Se podría decir que el sol es una central de fusión nuclear. Sin embargo, reproducir esas condiciones en la tierra es inviable y peligroso, de hecho así es cómo funciona una bomba de hidrógeno o bomba H, el arma más destructiva del mundo (más destructiva que las bombas de Hiroshima y Nagasaki, que fueron bombas atómicas de fisión).

Igual que hemos conseguido domar la fisión nuclear, se está estudiando cómo domar la fusión nuclear. Si lo logramos tendríamos la fuente de energía más limpia, eficiente y abundante de la historia. Para ello se están estudiando dos métodos: el confinamiento magnético y el confinamiento inercial. En ambos casos se usa hidrógeno, en concreto dos isótopos del hidrógeno, el deuterio y el tritio, que son átomos de hidrógeno (elementos con un solo protón) pero con diferente número de neutrones en el núcleo.

El confinamiento magnético consiste en generar un campo magnético muy intenso en forma de rosco (forma toroidal) mediante unas bobinas por las que circula una fuerte corriente eléctrica. El hidrógeno se inyecta en el campo magnético, de manera que éste se ioniza (pierde los electrones que orbitan en torno a su núcleo) y aumenta mucho su temperatura. Este gas de hidrógeno caliente e ionizado se denomina plasma. El plasma se queda confinado, atrapado, en el rosco magnético (de ahí el nombre confinamiento magnético). El hidrógeno se mueve a tal velocidad que su energía cinética supera la barrera de Coulomb, consiguiéndose así la fusión nuclear. Aunque la fusión nuclear ya se ha logrado por este método, todavía no se ha conseguido que sea energéticamente rentable.

El otro método es el confinamiento inercial. En lugar de mantener el plasma en movimiento continuo, en este método el hidrógeno se mantiene inmóvil dentro de unas cápsulas milimétricas. Gracias a los láseres de alta energía que emiten pulsos de nanosegundos, dentro de esas minúsculas cápsulas se alcanzan las mismas condiciones de densidad y temperatura que en el sol. El proceso consiste en empujar las partículas de hidrógeno mediante láseres concentrados en una región muy pequeña. Igual que golpear con un martillo la cabeza de un clavo permite concentrar toda la fuerza sobre la punta (la presión es fuerza dividida por superficie), al concentrar cientos de láseres sobre una cápsula milimétrica que contiene partículas de hidrógeno confinadas en su interior, estos implosionan provocando la fusión de sus núcleos. Los isótopos de hidrógeno se fusionan formando helio y liberando una gran cantidad de energía.

El 5 de diciembre de 2022 el Laboratorio Lawrence Livermore anunció que había logrado la fusión nuclear por confinamiento inercial consiguiendo, por primera vez en la historia, generar más energía que la aplicada por medio de los láseres. Antes no se había logrado la fusión nuclear con rentabilidad energética, por eso esto ha sido todo un hito científico.

La rentabilidad energética no es que la energía se genere de la nada o se viole el principio de conservación de la energía, sino que es algo tan elemental como que parte de la energía almacenada en forma de materia se transforma en energía (E=mc2). Esto lo consiguieron con 192 láseres que inyectaron una energía de 2,05 megajulios sobre la cápsula milimétrica que contiene hidrógeno, produciendo 3,15 megajulios y logrando un cociente Q de rentabilidad energética de 1,54 durante unos pocos nanosegundos.

Todavía quedan muchos retos y cuestiones por resolver para que este hito científico culmine en una tecnología que nos abastezca de energía. Para empezar hace falta que los datos anunciados por el laboratorio se publiquen y se revisen por pares, es decir, que pasen por el filtro certificador del sistema científico. También hay que tener en cuenta que los láseres necesitan energía eléctrica para funcionar, por lo que en rigor el cociente Q todavía está lejos de la ganancia de energía real requerida para la producción rentable de electricidad. Además, para que la fusión nuclear por confinamiento inercial sea escalable a una central de fusión comercial habría que lograr estirar los nanosegundos a años, manteniendo la reacción en cadena de forma continuada en el tiempo, y no solo sobre una cápsula milimétrica con hidrógeno, sino con cantidades importantes de este elemento.

Es posible que tardemos varias décadas en desarrollar una tecnología que nos permita explotar este hallazgo científico, así que esto no resolverá en el corto plazo la crisis climática en la que estamos inmersos. No obstante, este hito científico es un buen cimiento sobre el que depositar un optimismo sensato sobre el futuro, incluido el futuro medioambiental. Echar el freno no resolverá nada, solo traerá más pobreza a los más pobres. Protestar poniendo en peligro obras de arte tampoco soluciona nada. Este hito científico nos muestra que el buen camino está en la ciencia, en la investigación, el desarrollo y la innovación.