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FUSION NUCLEAR Y EL PROYECTO ITER
Desde que el hombre controló el fuego, el progreso humano ha estado
íntimamente ligado al uso eficaz de las cada vez más sofisticadas y potentes fuentes de
energía a nuestro alcance. Probablemente nunca en nuestra historia es mas evidente esta
realidad que en este momento en el que la utilización energética esta consiguiendo la
elevación del nivel de bienestar de una importante y creciente parte de la Humanidad.
Sin embargo, nos encontramos, por diversos motivos, en la disyuntiva de encontrar en
un plazo relativamente corto un sustituto energético al motor de nuestro progreso
reciente: los combustibles fósiles, ya que la escasez (y precio) del petróleo y los efectos
que la masiva emisión de CO2 debida a su combustión está teniendo en la atmósfera
preocupan al mundo científico internacional y cada vez más a la sociedad en general.
Desde el punto de vista de opciones energéticas de futuro, a corto y medio plazo el
petróleo y el carbón se sitúan en un horizonte entre los 50 y los 200 años de producción.
Si el planteamiento se hace a largo plazo, contamos con tres fuentes fundamentales: las
energías renovables, fundamentalmente la solar, cuya permanencia en el tiempo puede
ser de billones de años, pero con una capacidad de producción limitada,
fundamentalmente por ser fuentes difusas e intermitentes; la energía de fisión, y la
fusión.
Fusión es el proceso por el cual dos núcleos ligeros se unen para formar un tercero a la
vez que se libera una gran cantidad de energía, materializando la predicción teórica de
Alberto Einstein de conversión de masa en energía: E= mc2. Todas las estrellas del
Universo utilizan reacciones de fusión para producir la energía que les hace brillar y que
en el caso de nuestro Sol hace posible la vida misma en nuestra planeta.
Desde el punto de vista de su utilización energética, nuestro interés radica en la fusión
de dos isótopos del hidrógeno, Deuterio y Tritio .
Simbólicamente:
1D2
+ 1T3 -----> 2He4 + 0n1 + Energía
donde He es el símbolo del elemento Helio y n es el del neutrón (partícula fundamental
constituyente de los núcleos atómicos).
Las ventajas de utilizar esta reacción de fusión como fuente de energía son en
principio enormes: Baste pensar que “fusionando” un puñado de estos isótopos de
hidrógeno: Deuterio (10 gramos) y Tritio (15 gramos) puede generarse el promedio de
electricidad que consume una persona en un país industrializado durante toda su vida.
Una planta productora de energía eléctrica basada en fusión es intrínsecamente segura
pues cualquier desviación de las condiciones óptimas de la reacción produce su paro
inmediato y el impacto medioambiental de un reactor basado en estos procesos será
mínimo: Por una parte el deuterio es muy abundante en la Naturaleza, aproximadamente
dos de cada 6500 moléculas de agua contienen deuterio. El tritio aunque radioactivo con
una vida media de 12,3 años, será consumido en la propia cámara de reacción donde a
su vez es producido y el núcleo resultante de la fusión, Helio, es inerte. Únicamente el
neutrón producido en la reacción puede convertir en radioactivas las paredes del reactor
al colisionar con las mismas pero sus consecuencias pueden ser minimizadas utilizando
materiales adecuados. Una intensa investigación se está llevando a cabo en este campo
y parece posible diseñar cámaras de reacción cuya activación al cabo de unos pocos
años de la clausura del reactor sea despreciable, por lo que no sería necesario el
almacenamiento de residuos en formaciones geológicas. No hay contaminación
atmosférica alguna que favorezca la lluvia ácida o el efecto invernadero.
Este tremendo potencial solo es comparable al desafío tecnológico que supone dominar
esta fuente de energía Por ello, no es difícil comprender que la promesa de una fuente
de energía segura, medioambientalmente aceptable y prácticamente inagotable ha
motivado la creación en todo el mundo desarrollado de importantes programas de
investigación encaminados a controlar estos procesos. De hecho esta preocupación por
encontrar nuevas fuentes de energía y demostrar el potencial de fusión en particular, ha
transcendido a los niveles políticos mas elevados y así en la primera reunión que
mantuvieron en Ginebra en 1985 los líderes americano y soviético, Ronald Reagan y
Mikhail Gorbachev, acordaron publicar en el comunicado final conjunto:
"Los dos líderes enfatizaron la potencial importancia del trabajo encaminado a
utilizar fusion termonuclear controlada para fines pacíficos y en este contexto,
advocaron el mas extenso desarrollo de cooperación internacional para obtener esta
fuente de energía, que es prácticamente inexaustible, para el beneficio de toda la
Humanidad." 1
Lo que supuso, de facto, el inicio del Proyecto ITER.
ITER (International Tokamak Experimental Reactor, o “camino” en latin) es un gran
proyecto internacional que en una colaboración sin precedentes entre Rusia, Japón,
Europa, Corea del Sur, Estados Unidos, India y China, pretende construir un Gran
Laboratorio de Investigación donde se demuestre por primera vez la viabilidad de
obtener energía en nuestro planeta utilizando reacciones de Fusión.
Esto se traduce en que ITER desde un punto de vista científico, deberá conseguir un
plasma en el que las partículas alfa (núcleos de Helio), que se producen en la reacción
de fusión Deuterio-Tritio (20% de la energía producida en la reacción de Fusión),
constituyan la fuente principal de calentamiento del mismo. Este calentamiento
intrínseco será apoyado por 50 MW de calentamiento externo adicional, que llevará al
combustible a las condiciones adecuadas para que, de forma sostenida, se produzcan
500 MW térmicos, demostrando que es posible obtener al menos 10 veces la energía
necesaria para mantener la reacción.
Desde el punto de vista tecnológico, ITER deberá demostrar que es posible integrar las
tecnologías mas relevantes para la futura construcción de plantas productoras de
electricidad, poniendo de manifiesto las excelentes características de la energía de
Fusión desde el punto de vista de seguridad y e impacto medioambiental.
Los mecanismos que hacen posible la fusión en las estrellas no son viables en nuestra
escala planetaria y la manera más prometedora en la actualidad de utilizar esta energía
reside en la creación de “botellas magnéticas” donde el combustible, unos pocos gramos
de isótopos de hidrógeno en estado “plasma”, es aislado de su entorno mientras es
calentado a temperaturas de centenares de millones de grados, necesarias para que las
reacciones de fusión generen energía de forma eficiente.
1Traducción
literal de "The New York Times", Noviembre 22 1985
El diseño y perfeccionamiento de esas “botellas magnéticas” ha dominado la
investigación en fusión en las últimas décadas y en particular el concepto Tokamak, del
ruso “toroidalnaya kamera ee magnitnaya katushka”, ha experimentado un desarrollo
espectacular en todo el mundo. En esta idea, inicialmente propuesta por I. Tamm y
A. Sakharov en 1951 en la antigua Unión Soviética, es en la que está fundamentado el
proyecto ITER, aunque su diseño actual, desde un punto de vista científico, está avalado
y determinado por el conocimiento obtenido a través de la extensa operación de
tokamaks en el mundo durante las pasadas décadas y muy particularmente por las
investigaciones realizadas en el tokamak Europeo JET, el mayor tokamak del mundo en
la actualidad donde ya se han coseguido generar 16 MW térmicos utilizando reacciones
de fusión. Asimismo la tecnología propuesta para ITER ha sido validada por un amplio
programa de I+D que ha construido prototipos de prácticamente todos sus componentes
críticos.
Los componentes principales del tokamak ITER son las bobinas superconductoras que
generan el campo magnético utilizado para confinar, conformar y controlar el plasma
dentro de una cámara de vacío toroidal en forma de “donuts”. Este sistema comprende
dieciocho bobinas de campo toroidal, un solenoide central, seis bobinas de campo
poloidal y unas bobinas llamadas de corrección, cuya misión es corregir posibles
desviaciones surgidas en el resto de las bobinas durante la fase de construcción. Los
arrollamientos de las bobinas de campo toroidal y poloidal están colocados en carcasas
muy resistentes que impiden movimientos milimétricos que de otra manera sucederían
debido a las importantes fuerzas electromagnéticas de interacción a las que están
sometidas las bobinas. Estas, junto con la cámara de vacío, que tiene una estructura de
doble pared, y los componentes internos, están acoplados mecánicamente a soportes
gravitatorios donde se depositan las aproximadamente 19.000 toneladas de peso de
estos sistemas. Todo el tokamak está inmerso en un criostato, con aislamiento térmico
entre los componentes calientes y las bobinas refrigeradas a temperaturas de Helio
líquido. Podemos imaginar el desafío tecnológico que supone tener que mantener cien
millones de grados en el centro del Tokamak y temperaturas cercanas al zero absoluto
(4,5 ºK) en las bobinas superconductoras a escasos dos metros de distancia.
Dentro de la cámara de vacío encontraremos los diferentes componentes internos, en su
mayoría reemplazables:
a) los módulos de apantallamiento y producción de tritio, cuya misión es
absorber el calor irradiado y proteger la cámara, y sobre todo las bobinas
superconductoras, de los neutrones generados por el plasma. Algunos
módulos demostrarán también que es posible producir tritio (isótopo del
hidrógeno) en la misma cámara donde posteriormente será consumido.
b) los módulos del divertor, donde se “desvían” y extraen las impurezas
generadas en las paredes del tokamak y el helio producido en las reacciones
de fusión, manteniendo “puro” el plasma.
c) los elementos auxiliares instalados en las ventanas de acceso al interior del
tokamak, tales como limitadores para controlar la posición del plasma,
antenas para realizar el calentamiento o módulos de diagnósticos que nos
darán información sobre el comportamiento del combustible mientras
reacciona.
El calor depositado en los elementos internos y en la cámara de vacío es extraído
de la cámara mediante un sistema de refrigeración convencional por agua.
El funcionamiento de ITER es relativamente sencillo: en el interior de la cámara de
aproximadamente 1000 m3 de volumen, introduciremos escasamente un gramo (de ahí
su nombre de “cámara de vacío”) de hidrógeno o sus isótopos, deuterio, tritio; entonces,
bien por la acción del campo eléctrico inducido por el solenoide central, bien por la
inyección de potentes haces de microondas, nuestro combustible, inyectado en estado
gaseoso, se transformará al estado “plasma”, formando una “nube” de partículas
cargadas positiva y negativamente, a la vez que la botella magnética se va formando
como consecuencia de los campos magnéticos generados por las bobinas
superconductoras y el producido por la corriente eléctrica de varios millones de
amperios, hasta 17 MA, inducida en el propio plasma por el solenoide central. El
plasma, simultáneamente, irá evolucionando desde una sección circular hasta su forma
final mucho mas alargada con forma de D.
Los diferentes sistemas de calentamiento, hasta 50 MVatios, entrarán entonces en
funcionamiento llevando al plasma a las temperaturas del orden de mas de cien
millones de grados, necesarias para que las reacciones de fusión se inicien, y pueda
demostrarse que es posible generar hasta un equivalente de 500 MVatios de estas
reacciones. Dependiendo del experimento que se realice, todo el proceso puede haber
durado hasta casi una hora de tiempo, aunque esta previsto que la duración de la
mayoría de los experimentos sea inferior a diez minutos con periodos de pausa entre
experimentos de alrededor de media hora.
Puede resultar frustrante comprobar, que después de todo este esfuerzo ni un solo
kilovatio-hora de electricidad se habrá generado, pero debemos entender que estamos
hablando de un Laboratorio de Investigación y NO de una planta productora de energía
eléctrica. Para que ésta sea posible, es necesario antes que ITER demuestre que la
fusión es tecnológicamente viable.
Es muy importante destacar que una característica esencial del diseño de ITER es que
ha estado influido decisivamente por la constante preocupación de que reflejara en su
versión final las favorables condiciones de la fusión en materia de seguridad e impacto
medioambiental, conscientes como somos los que trabajamos en esta área de
investigación que ITER será el escaparate en el que la tecnología de fusión será
examinada.
ITER es un proyecto tecnológicamente complejo cuya construcción se estima necesitará
diez años y al menos veinte de explotación posterior. Las tecnologías que ITER necesita
para su construcción y posterior operación y mantenimiento son fundamentalmente
todas aquellas que tradicionalmente llamamos de alta tecnología: superconductividad,
nuevos materiales, robótica, alto vacío, todo tipo de electrónica micro y macro,
microondas, aceleradores, sistemas de control y un largo etc. Además también necesita
de forma fundamental utilizar las tecnologías asociadas al desarrollo de la nueva
economía ya que al ser un proyecto internacional experimental, los socios distintos del
anfitrión, tienen la intención de crear salas de control remotas en sus territorios, en este
caso Japón, Rusia, Estados Unidos…
El 21 de noviembre de 2006, los siete socios firmaron en París, en presencia del
Presidente Francés y del Presidente de la Comisión Europea el acuerdo de construcción
del proyecto ITER en la Unión Europea, concretamente en Cadarache, Francia.
Siguiendo la negociación que hizo posible llegar a este acuerdo, la dirección general es
ejercida por un representante japonés junto con un europeo responsable técnico del
proyecto, y cada uno de los otros socios aporta un director general adjunto responsable
de un área específica: India, los estudios sobre calentamiento; Corea del Sur, la
ingeniería central; Estados Unidos, la experiencia con el Tokamak; Rusia, ciencia y
tecnología; China, la administración del proyecto y la Unión Europea la seguridad
nuclear.
Uno de los retos del proyecto ITER es sin duda la propia gestión ya que hay que tener
en cuenta que los socios construirán el 90 por ciento de todo el proyecto, cuyo coste se
cifra en unos 5.000 millones de euros, con sus propios recursos a través de
contribuciones “en especie”. Este modelo es sin duda muy atractivo para los países
participantes, pero su gestión es también un desafío de integración.
Las expectativas que este proyecto ha generado en las empresas e instituciones
españolas son altas. Sin duda, un protagonista fundamental por parte de nuestro país es
el CIEMAT, donde se realiza la investigación experimental en fusión y donde se
encuentra uno de los tres stellarators más importantes del mundo que fue construido en
un 60% por empresas Españolas. De hecho gracias a esa participación y a la preparación
de la candidatura para acoger ITER en Vandellós, se explica que en valores absolutos,
España es el país que ha obtenido el mayor número de contratos industriales en los
últimos cinco años de los proyectos JET e ITER en Europa.
La capacidad de nuestra industria de bienes de equipo, de las ingenierías, de las
constructoras y de la industria eléctrica es indudable. Son precisamente estas empresas
las que deberán estar preparadas para acudir a las ofertas que se planteen para la
construcción del ITER, formando parte de los consorcios europeos que ya se están
empezando a constituir.
Además existen los recursos necesarios dentro de los
organismos oficiales para apoyar una colaboración entre el sector público y la iniciativa
privada.
El 22 de febrero de 2006, en el CIEMAT se constituyó la Plataforma Tecnológica de
Fusión, promovida por el ministerio de Educación y Ciencia, que tiene como objetivo
aunar los esfuerzos de universidades, centros de investigación e industria interesados en
la instalación experimental ITER y otras grandes instalaciones de alta tecnología de
fusión. La Plataforma Tecnológica de Fusión, en la que están integrados las empresas y
los organismos españoles interesados en esta materia, debe ser el núcleo del que surjan
las propuestas de colaboración y de participación en los consorcios internacionales.
El momento actual es clave para el Proyecto ITER. Se acaba de presentar la solicitud
de licencia al organismo regulador francés e iniciado el correspondiente proceso de
análisis y discusión técnica del proyecto, que si concluye con una recomendación
positiva, puede implicar que la aprobación se consiga a finales del año 2009.
Simultáneamente se ha realizado una revisión a fondo del Proyecto, cuyos resultados,
incluido el calendario final, serán presentados al Consejo de ITER en breve.
Reproducir en nuestro planeta los procesos que nutren de energía a nuestro Sol no es
problema fácil pero el problema de la energía es el problema del progreso humano. Con
el proyecto ITER, a través del trabajo científico y tecnológico que realiza y coordina
CIEMAT y la instalación en Barcelona de la agencia Europea que gestionará todo el
esfuerzo europeo para ITER, España se une a un reducido grupo de países que realizan
una investigación experimental de primera línea encaminada a comprender y dominar
una fuente de energía que aparece en el futuro como una alternativa segura, potente y
medioambientalmente aceptable, verdadera promesa para la Humanidad
Carlos Alejaldre