La fusión de hidrógeno nos salvará (o no)
por B, 22 de diciembre de 2022
El reciente anuncio de un reactor de fusión experimental ha provocado una oleada de noticias que se han extendido por los principales medios de comunicación. Articulistas de todo tipo se deshicieron en elogios por el gran avance que supone y por acercarnos a una fuente de energía "limpia, segura y casi ilimitada". La realidad, sin embargo, tiene más matices.
La instalación utilizó su conjunto de 192 láseres para suministrar 2,05 megajulios de energía a un cilindro de oro del tamaño de un guisante que contenía una pastilla congelada de los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio. El pulso de energía del láser provocó el colapso de la cápsula, alcanzando temperaturas sólo vistas en estrellas y armas termonucleares, y los isótopos de hidrógeno se fusionaron en helio, liberando energía adicional y creando una cascada de reacciones de fusión. El análisis del laboratorio sugiere que la reacción liberó unos 3,15 MJ de energía, aproximadamente un 54% más de lo que entró en la reacción, y más del doble del récord anterior de 1,3 MJ.
Traducido al lenguaje humano: un puñado de gente utilizó la fuerza bruta para activar una bomba de hidrógeno en miniatura en una cámara de pruebas (sin utilizar una bomba atómica como espoleta). Toda una proeza. ¿Produjo un excedente de energía? Claro que sí. Igual que en aquel ominoso experimento de hace setenta años. Como referencia, pregunten a los habitantes del atolón de Enewetak hasta qué punto un excedente de energía de este tipo puede arrojar coral a la atmósfera.
¿Se trata de una fuente de energía sostenible? ¿Pueden los experimentos realizados en el NIF producir un flujo continuo de energía, en lugar de una explosión en miniatura? Por supuesto que no. Nunca se pretendió que lo hicieran. Si se lee atentamente el artículo se puede descubrir cuál fue el verdadero propósito del experimento:
Pero los resultados tienen una importancia especial en el NIF: la instalación fue diseñada para ayudar a los científicos especializados en armas nucleares a estudiar el intenso calor y las presiones del interior de las explosiones, y eso sólo es posible si el laboratorio produce reacciones de fusión de alto rendimiento. [...] la gran pregunta ahora es qué hará el Departamento de Energía a continuación: redoblar la investigación armamentística en el NIF o reorientar el programa láser hacia la investigación de la energía de fusión.
No sé a usted, estimado lector, pero la palabra " reorientar " me sugiere que todo este experimento tenía una finalidad 100% militar, presentada como un gran avance en la energía de fusión... En otras palabras: en lugar de encontrar una fuente de energía sostenible, el NIF ha encontrado una nueva forma de encender una bomba H.
Para lograr una reacción de fusión sostenida se necesitaría una vasija capaz de contener plasma a una temperatura de hasta 150 millones de grados. Y aquí es donde empiezan las dudas. En el no tan publicitado mundo de la realidad de la ingeniería, un reactor de fusión es un devorador de energía turboalimentado con esteroides. Para evitar que el plasma caliente a varios millones de grados queme su carcasa, el reactor necesita generar un campo electromagnético lo suficientemente fuerte como para mantener las partículas extremadamente calientes en el centro del reactor, lejos de sus paredes.
ITER, el mayor y más prometedor reactor de fusión del mundo, también logrará esta hazaña mediante imanes superconductores, que requieren una refrigeración constante hasta temperaturas cercanas al cero absoluto. Sólo la generación de este campo magnético dispara la factura eléctrica, por no hablar de la multitud de otros equipos, que en conjunto equivalen al consumo eléctrico de una ciudad de tamaño medio:
Las necesidades de electricidad de la central y las instalaciones del ITER oscilarán entre 110 MW y 620 MW en periodos punta de 30 segundos durante el funcionamiento del plasma.
No se trata del hervidor eléctrico de la abuela: estamos hablando de 365 MW de electricidad consumida (de media) para un espectáculo de fuegos artificiales de 30 segundos. De esta cantidad, sin embargo, sólo 50 MW se utilizarán para encender el plasma, el resto será absorbido por el agua de refrigeración y los sistemas criogénicos. Sin embargo, según la página web del proyecto, esa parte no tan insignificante del consumo quedará completamente al margen de la consecución del objetivo:
ITER está diseñado para obtener en su plasma un rendimiento energético diez veces mayor (Q=10), es decir, 500 MW de potencia de fusión a partir de 50 MW de potencia calorífica de entrada.
Si se define el éxito como lo hicieron los diseñadores del ITER, centrándose en los 50 MW de potencia calorífica de entrada a la cámara de pruebas (excluyendo el consumo bruto de TODOS los equipos que proporcionan soporte vital a la cámara), entonces sí que se podría dar por terminado el proyecto y quedarse con el dinero. Sin embargo, calculado honestamente, el ITER sólo conseguirá un rendimiento de 1,37:1 sobre la energía invertida, apenas por encima del umbral de rentabilidad, en el mejor de los casos. Y eso sin tener en cuenta la energía necesaria para construir una estructura similar.
El problema es que a la física no le interesa lo más mínimo lo que medimos: o todo el sistema es sostenible, o no lo es nada.
Si de verdad nos tomáramos en serio la salvación de esta civilización, en lugar de actuar como si tuviéramos todo el tiempo del mundo mientras recibimos alegremente subvenciones de los gobiernos y encargos de la industria armamentística, haríamos cálculos brutos de entrada frente a salida. Entonces nos daríamos cuenta de que un objetivo de uno a diez de entrada vs salida de calor definitivamente no será suficiente aquí. Utilizando la métrica proporcionada por los experimentos actuales, tendríamos que apuntar a un objetivo neto de 500:1 (o 70:1 bruto), para demostrar que al menos podemos igualar el rendimiento actual de los reactores nucleares. Si esto parece imposible, quizá lo sea, pero tampoco deberíamos perder el tiempo en ello.
Si a esto añadimos que a) no tenemos ni idea de si podremos mantener la fusión durante una hora, por no hablar de un día, sin estropear completamente el equipo (probablemente no), y b) ITER no producirá electricidad (eso será otro problema (1)), veremos que este experimento es realmente un puente hacia ninguna parte.
Aquí es donde realmente me sorprende la incapacidad de la humanidad para comprender la naturaleza finita de nuestra civilización. La alta tecnología tiene los días contados. Al ritmo de consumo actual, en los próximos veinte o treinta años necesitaríamos extraer tantos minerales como en los últimos diez milenios: tal es la naturaleza del crecimiento exponencial.
El problema es que no nos quedan tantos recursos, pero aun así lo intentaremos. La escasez actual no es nada comparada con la que experimentaremos dentro de diez, quince años... No hay más que ver. Para entonces, el ITER aún estará en fase de inicialización (su puesta en marcha está prevista para 2035). Ponerlo en marcha será nuestro menor problema.... A pesar de otros problemas, tomemos como ejemplo el tritio, un isótopo extremadamente raro del hidrógeno:
En la actualidad, el tritio se genera en 19 reactores de fisión CANDU canadienses, la mitad de los cuales está previsto que cierren. [...] Esto significa que la reserva de tritio, de unos 25 kilogramos, alcanzará su máximo en 2030 y comenzará un declive constante a medida que se venda y decaiga.
¿Por qué es importante? Por supuesto, la fusión podría funcionar con isótopos mucho más abundantes una vez en marcha... Sin embargo, para ponerla en marcha, siempre se necesitará una pequeña cantidad de este material tan raro.
Los investigadores se dieron cuenta hace más de 20 años de que la "ventana de tritio" de la fusión acabaría cerrándose de golpe, y las cosas no han hecho más que empeorar desde entonces. El ITER no quemará D-T hasta 2035 como muy pronto, cuando el suministro de tritio se haya reducido. Una vez que el ITER termine sus trabajos en la década de 2050 -si no hay más retrasos- sólo quedarán 5 kilogramos o menos de tritio.
Lea aquí el artículo completo sobre el tema; me ha parecido muy perspicaz y bien documentado. La fusión, en cierto sentido, es un subproducto del intento único de la humanidad de construir una civilización de energía nuclear... Todo ello basado en metales no renovables, combustibles fósiles y arena, materiales que estamos destinados a agotar en las próximas décadas.
Mientras seguimos soñando con la energía infinita, ya sea capturada por paneles solares o creada aquí en la Tierra mediante fusión, nos olvidamos voluntariamente de la cantidad de materiales no renovables necesarios para ser incorporados -y finalmente consumidos- por estas intrincadas tecnologías.
Un buen ejemplo son las seis bobinas de campo poloidal (que generan el potente campo magnético; por cierto, me encanta su nombre), fabricadas con alambres de niobio y titanio. No se compran en Home Depot:
Con un diámetro de 17 a 24 metros y un peso de 200 a 400 toneladas, las bobinas PF2, PF3, PF4 y PF5 son demasiado grandes para fabricarlas in situ y enviarlas al ITER.
La gente de ITER no oculta en absoluto que su proyecto es un unicornio totalmente imposible de ampliar. Basta con imaginar toda la cadena de suministro que hay detrás de la operación, empezando por las minas de tierras raras de China: extracción de una reserva finita de niobio mediante camiones volquete y excavadoras que queman litros de gasóleo por minuto, y refinerías que dejan tras de sí un vertedero tóxico y altamente radiactivo. Imaginemos también la cantidad de carbón y gas natural que se quema en las fundiciones para fundir estos metales exóticos y fabricar esta aleación especial... La cantidad de gasóleo (de nuevo) que se quema en los barcos y camiones que transportan cientos de toneladas, la electricidad que se consume en el proceso de fabricación, etc... Ahora podemos hacernos una idea del tipo de energía y materiales finitos que se necesitan para construir, mantener y hacer funcionar un reactor de fusión. Una vez más, una proporción de uno a diez, midiendo sólo el calor que entra frente al que sale (el objetivo oficial para la finalización del proyecto en 2050), definitivamente no será suficiente para cubrir todo esto... Una proporción de uno a diez mil, tal vez.
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De todas formas, ¿por qué vamos a intentar construir una central de fusión prácticamente ilimitada en la Tierra, cuando ha sido exactamente eso, el uso de energía ilimitada (en forma de combustibles fósiles) lo que ha provocado la sexta extinción masiva a la que estamos asistiendo en estos momentos? ¿A quién queremos impresionar con todo esto?
A nuestros descendientes, que heredarán una biosfera medio muerta, sembrada de residuos radiactivos, productos químicos para siempre, pilas usadas y metrópolis inundadas entre desiertos vacíos, seguro que no les hará ni pizca de gracia. Con cada aumento del consumo de energía -como hemos visto- viene un aumento de las actividades ecocidas, desde la minería a la fabricación, desde la deforestación a la desertificación y, en última instancia, el despilfarro -y si crees que esta vez será diferente... Bueno, entonces tengo un puente que venderte. Las corporaciones, armadas con una fuente de energía tan "limpia y abundante", destruirían sin duda lo poco que queda del planeta Tierra en cuestión de décadas en busca de recursos y, en última instancia, de beneficios.
Amigos, esto no tiene sentido. Está demostrado que nos encontramos en el precipicio del largo declive de la producción de petróleo y gas, en un planeta sobrecalentado con un ecosistema que agoniza lentamente. ¿Y nuestra mayor esperanza es que podamos mantener este ritmo suicida de extracción de recursos durante muchas décadas más, hasta que nuestros mejores y más brillantes descubran la fusión? ¿De verdad? ¿Sólo para darnos cuenta de que para entonces nos habremos quedado sin combustible de ignición, y nuestro magnífico unicornio no será más que un montón multimillonario de chatarra radiactiva (2), incapaz de alimentarse a sí mismo, por no hablar de la producción de nuevos reactores de su tipo? ¿Alguien lo ha pensado seriamente? ¿Quién en su sano juicio ha aprobado el presupuesto para todo esto?
En serio, conociendo la grave situación en la que nos encontramos, deberíamos estar ocupados aprendiendo y reaprendiendo cómo producir alimentos, ropa y vivienda en un planeta en transición hacia un clima radicalmente diferente. Necesitamos desesperadamente un plan para reducir el uso de la tecnología, junto con la disminución natural de la disponibilidad de recursos y energía. Deberíamos echar un vistazo a cómo vivía la gente antes de nuestra era, y ver qué tecnologías y conocimientos científicos pueden ser útiles en un mundo gravemente agotado, tanto en términos de recursos minerales/energía como de la propia vida.
Los combustibles fósiles y los minerales nos abandonarán antes por agotamiento que nosotros a ellos. En consecuencia, la civilización industrial desaparecerá en el transcurso de los próximos cien años más o menos, hagamos lo que hagamos. Sin embargo, suponiendo que no nos destruyamos a nosotros mismos mientras se desarrolla la historia, podríamos aprender algo en el proceso... El declive de la alta tecnología también dará la oportunidad a la Naturaleza de recuperarse y a nosotros de volvernos más sabios y mucho, mucho más, sostenibles. La fusión, a pesar de este gran "éxito", seguirá siendo un pastel en el cielo para siempre. Siempre lo será dentro de 25 años, igual que lo fue hace medio siglo... hasta que la gente finalmente se olvide de ella. Dentro de cien años, la gente ni siquiera será capaz de explicar a sus hijos para qué servía.
Sin embargo, en el presente, la fusión es una pérdida de tiempo, dinero y recursos a una escala gigantesca. Nos impide hacer muchas otras cosas que podrían tener mucho sentido en nuestra situación y que podrían ayudarnos a superar el cuello de botella que nos espera. Centrémonos en ellas y dejemos la tecnutopía de la fusión donde debe estar: en las páginas de los libros de historia aún por escribir.
Hasta la próxima,
B.
Notas:
(1) Por el momento sólo podemos adivinar cómo aprovechar la inmensa energía liberada durante la fusión. La mayor parte llega en forma de calor y radiación electromagnética, además de algunas partículas de alta energía. ¿Qué podemos hacer con ellas? ¿Hervir agua y hacer girar una turbina de vapor? ¿Cuál sería la tasa de conversión de energía? ¿Un 30% en el mejor de los casos? Espera, ¿estamos planeando usar esto en ráfagas de 30 segundos? Imagínense una central nuclear que tuviera que enfriarse, desmontarse y repararse cada 30 segundos: sencillamente, no funcionaría.
(2) Durante la fusión se generan neutrones que se precipitan contra las paredes de la cámara de reacción. Al ser de carga neutra, los campos electromagnéticos no pueden hacer nada para impedir que causen daños estructurales a las paredes de la propia cámara, convirtiéndola con el tiempo en una frágil pieza de chatarra radiactiva. Un residuo peligroso, que hay que enterrar junto a las barras de combustible de uranio gastado, sin esperanza de reciclaje. Buena suerte en la búsqueda de un lugar seguro para ambos.