La fusión de núcleos atómicos libera grandes cantidades de energía, una reacción que hace brillar a las estrellas y que podría, en un futuro, convertirse en una fuente de energía eléctrica para la humanidad. La física nuclear nos dice que la unión de los núcleos de hidrógeno se logra a temperaturas de cientos de millones de grados, condiciones en las que la materia no es ni sólida, ni líquida, ni gaseosa. En estos estados, los átomos se descomponen en sus componentes: núcleos y electrones, y esta materia volátil debe ser confinada en algún tipo de recipiente. En el reactor experimental ITER, actualmente en construcción en Cadarache, Francia, la contención se consigue mediante potentes campos magnéticos.
Otra estrategia efectiva es el denominado confinamiento inercial. En 1972, el físico estadounidense John Nuckolls propuso esta idea en un artículo de Nature. En la misma época, el premio Nobel Nikolai Basov en la Unión Soviética llegó a conclusiones similares, mientras que en Francia, Robert Dautray siguió la misma línea. Así comenzó una investigación de cinco décadas que ha visto avances significativos no solo en energía, sino en otras áreas de la física y la tecnología. Los resultados publicados hace una semana demuestran la viabilidad de una de las ideas centrales de la fusión inercial.
En esta técnica, pequeñas cantidades de hidrógeno, específicamente deuterio y tritio, contenidas en cápsulas de milímetros, deben ser expuestas a las mismas condiciones que se dan en el Sol. La clave es el uso de un láser de alta energía que emite pulsos de nanosegundos. Este láser deposita su energía en la capa externa de la cápsula, provocando una expansión que, por efecto cohete, comprime el material hacia el centro. Así se inicia una implosión, y con ella, las reacciones de fusión nuclear.
Resultados publicados en Nature y Nature Physics el 26 de enero demuestran que, como se predijo hace 50 años, la energía cinética de los núcleos de helio resultantes de las reacciones de fusión se transfiere a través de colisiones hacia el hidrógeno más denso en el exterior, calentándolo y propagando una onda térmica desde el centro hacia afuera. Aunque el tiempo de confinamiento dura solo 0.1 nanosegundos, la repetición de este mecanismo diez veces por segundo podría generar suficiente energía para considerar la creación de una planta de energía eléctrica.
Este avance es significativo porque comprimir es mucho más barato en términos de energía que calentar. Los experimentos y simulaciones computacionales realizados en la National Ignition Facility del Lawrence Livermore National Laboratory, en conjunto con otros laboratorios, han confirmado la efectividad del mecanismo. NIF utiliza un láser de 2 megajulios en cada pulso, distribuido en 192 haces durante algunos nanosegundos.
Los experimentos de agosto de 2020 y febrero de 2021 demostraron la propagación de quemado. El rendimiento energético alcanzado en agosto de 2021 fue incluso superior, pero aún necesita ser repetido. Aun así, es crucial que este proceso se repita continuamente durante la vida del reactor para que el láser functione de manera repetitiva, un desafío en el que los investigadores están trabajando, junto con la optimización del mecanismo para reducir el consumo energético del láser.
Aún quedan retos por superar, comunes a ambas técnicas de confinamiento: materiales, sistemas de refrigeración y la reproducción del tritio, un isótopo que no existe en la naturaleza y que debe fabricarse in situ. Estas son metas que podrían alcanzarse temporalmente para el 2050 o más allá.
Por su parte, la vía de confinamiento magnético, como la empleada en ITER, también tomará tiempo y no ofrecerá resultados inmediatos. ITER solo demostrará la ignición y el quemado, con un funcionamiento real previsto para 2035 y DEMO, el reactor final, proyectado para 2050-2060 en la UE.
En España, se espera la financiación final para la construcción y operación de la instalación IFMIF-DONES, destinada a demostrar la viabilidad de los materiales propuestos para las estructuras del reactor.
José Manuel Perlado Martín es profesor emérito de Física Nuclear y presidente del Instituto de Física Nuclear Guillermo Velarde de la Universidad Politécnica de Madrid.
