Fusión nuclear en México


Fusión nuclear en México
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La vida del universo se sostiene por la fusión nuclear. ¿Qué clase de afirmación es ésta? ¿Acaso el universo tiene vida? ¿Y, qué demonios es la fusión nuclear? Aún más, quizá ni siquiera es enteramente veraz esta declaración; pero, ciertamente, me sirve para captar su atención y empezar a explicar mi tema. Lo cierto es que el universo está continuamente evolucionando, cambiando su forma y estructura de un estado a otro, lo cual podría significar que hablamos de un ente viviente, pues, los seres vivos tienen la condición de no estar fijos e inertes, sino en constante evolución hasta el final de sus vidas.
     Visto así, el universo vive y evoluciona gracias a una fuente de energía básica que consiste en ir uniendo partes elementales de la materia para formar compuestos cada vez más pesados: esto es la fusión nuclear.
     En su forma más sencilla, se une núcleos del elemento más ligero existente —el hidrógeno—, para formar núcleos del elemento que le sigue en peso: el helio; mediante este proceso se libera una gran cantidad de energía que permite mantener con vida a las estrellas: las células del universo.

Bien podría seguir ahondando en la forma como ocurre la fusión nuclear en las estrellas y cómo van evolucionando hasta su muerte, debido a alguna de varias posibilidades, pero no es éste el tema central; lo interesante ahora es considerar qué tan factible es pensar que nosotros —los humanos— podamos reproducir el proceso de fusión nuclear en la Tierra para generar energía en nuestro beneficio; ¿será esto demasiado ambicioso?
     Este objetivo ha estado en la mente de muchos científicos, desde hace siete décadas y, a pesar de todos los avances, aún no tenemos una respuesta clara sobre si podremos construir un reactor de fusión nuclear.
     En este espacio, presento una perspectiva de lo realizado en tal aspecto y en qué estado se encuentra la investigación en el ámbito mundial, describiendo también lo hecho en México para contribuir al esfuerzo de reproducir y controlar la fuente de energía de las estrellas.

Comenzaré diciendo que hay dos maneras de obtener energía del núcleo de los átomos: la primera es uniendo dos núcleos ligeros (por ejemplo, dos hidrógenos) para formar uno más pesado (que sería uno de helio), a lo que llamamos fusión nuclear; y la otra es partiendo un núcleo pesado para formar dos o más núcleos más ligeros, lo que se llama fisión nuclear. En ambos casos, se libera mucha energía: como cien mil veces más que en las reacciones químicas (por ejemplo, al quemar carbón). El elemento que separa los dos tipos de procesos es el hierro (Fe); entonces, los más ligeros que el Fe pueden tener reacciones de fusión, y los más pesados que el Fe pueden tener reacciones de fisión.
     La primera forma de generar energía nuclear producida por el hombre fue, desgraciadamente, explosiva, a partir de las bombas de fisión (conocidas como bombas atómicas), desarrolladas durante la segunda Guerra Mundial, seguidas de las de fusión (o bombas de hidrógeno). Después de eso se construyó reactores nucleares basados en la fisión, en los cuales la energía se libera de forma controlada, cuyo combustible es el uranio, el elemento más pesado que existe de manera natural.
     Habiendo logrado construir reactores de fisión que operaban satisfactoriamente, se pensó que el siguiente paso sería producir un reactor de fusión; las ventajas de este último sobre los primeros serían inmensas.

FIGURA 2: Exterior del tokamak mexicano que operó en el ININ, en la década de los noventa.

     Para empezar, el combustible es el hidrógeno, disponible en todas partes a partir del agua. En segundo lugar, un reactor con este principio sería mucho más seguro de operar que una planta de fisión, al no poder salirse de control y no producir desechos radiactivos de larga vida. Por otro lado, así como las bombas de hidrógeno tienen mayor poder explosivo que las de fisión, su capacidad generadora de energía sería mayor. Con todas estas ventajas en puerta, se inició la carrera para lograr este sueño a principios de los años cincuenta, al iniciarse como proyectos secretos en los Estados Unidos, Inglaterra y la entonces Unión Soviética, pero, al poco tiempo, se vio que no era tan sencillo como esperaban y la investigación se desclasificó para poder sumar colaboraciones internacionales.
     Desafortunadamente, se debe decir que, a pesar de haber transcurrido tanto tiempo en investigaciones exhaustivas en todo el mundo, todavía no se ha alcanzado el punto en el cual se sepa cuándo tendremos un reactor de fusión; pero, en el camino, se ha aprendido mucho sobre los procesos involucrados, lo cual nos acerca cada vez más a la meta.

El plasma   

La única manera de generar mucha más energía que la invertida en producir reacciones de fusión nuclear es calentando el combustible (hidrógeno y sus variantes: deuterio y tritio) a temperaturas de centenas de millones de grados; es decir, ¡más caliente que el centro del Sol! Sólo así se podría tener una gran cantidad de reacciones nucleares durante el movimiento térmico del gas, pues se debe vencer la repulsión eléctrica que naturalmente ocurre entre los núcleos con cargas eléctricas iguales. A estas temperaturas, cualquier material se convierte en un plasma —como se llama a un gas ionizado, en el cual los átomos han perdido sus electrones—.

     El plasma es un estado de la materia muy complejo, debido a las interacciones eléctricas de gran alcance que presenta. Es bastante inestable, por lo que no es fácil mantenerlo en un solo lugar por tiempos suficientemente largos como para producir muchas reacciones de fusión. Ésta ha sido la principal dificultad para lograr la operación adecuada de un reactor de fusión; entonces, para poder avanzar, primero era necesario entender —conocer— el plasma y aprender a controlarlo: principal actividad en la que se han concentrado las investigaciones.
     Dos métodos se han seguido para contener el plasma: el confinamiento magnético y el confinamiento inercial. En el primero, se utiliza campos magnéticos con una geometría apropiada para mantener el plasma alejado de las paredes del contenedor, pues las partículas cargadas que forman el plasma responden a fuerzas magnéticas. En el segundo método, se irradia una cápsula de combustible con rayos láser por todo su derredor, para conseguir una gran compresión hacia el centro. Cada método tiene sus ventajas y desventajas, pero ninguno ha funcionado como se desearía. El confinamiento magnético es el que ha sido estudiado más exhaustivamente y se ha visto que la configuración más afortunada es el llamado tokamak: una cámara en forma de rosca (también llamada toro) con corrientes en el exterior y en el interior del plasma.
     Se ha construido muchos tokamaks alrededor del mundo para estudiar el comportamiento del plasma, incluidos dos en México. Actualmente, se está desarrollando en Francia el mayor de todos los tokamaks —a partir de una colaboración internacional— llamado ITER, con el cual se espera demostrar que es posible construir un reactor de fusión nuclear; sin embargo, será hasta el año 2035 que se tenga la total operación del experimento y se conozca si tuvo éxito.  
     Por otro lado, el confinamiento inercial presenta el problema de que los disparos de los láseres no pueden repetirse con la frecuencia requerida, y esto impide que la salida de energía sea continua; en cambio, se presentaría en forma de pulsos muy espaciados. Además, hasta ahora no se ha podido lograr una compresión uniforme que no se contamine con la envoltura de la cápsula.
     En la actualidad, el mayor experimento de este tipo es el NIF (National Ignition Facility o Complejo Nacional de Ignición) realizado en EUA, que cuenta con 192 láseres de la más alta potencia existente (cuatro Megajoules) dirigidos a una pequeña cámara que los convierte en rayos X y los enfoca hacia la cápsula de combustible de unos milímetros de diámetro, la cual se encuentra en su interior. Con ello se pretendía obtener más energía de fusión que la invertida en iniciar las reacciones, pero esto no se ha logrado por problemas técnicos.

 

La investigación en fusión termonuclear realizada en México no ha tenido mucha participación, pues no parece haber despertado gran interés entre científicos e ingenieros; tampoco en el ámbito estatal, por cierto. Puede haber varias razones para ello, pero, quizá, las principales son que, desde el punto de vista científico, éste no se considera un tema de frontera y, desde el ingenieril, no parece que la fusión tenga aplicación en un futuro cercano.

     Personalmente, pienso que estos enfoques no son correctos porque, si bien los procesos de fusión nuclear son suficientemente conocidos, el estudio del plasma, en el cual los procesos deben ocurrir, constituye un reto científico de gran magnitud. En la parte de ingeniería hay muchísimos aspectos que aún deben ser resueltos a corto plazo, como el desarrollo de materiales para las paredes adecuados a las condiciones extremas que deberán soportar, o la construcción de bobinas superconductoras de bajo costo.
     Las primeras actividades en fusión nuclear se presentaron en los años setenta. En el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) se diseñó y construyó dos pequeños tokamaks: el “Novillo” y el “TPM-1”. El primero se montó y operó en el propio ININ, en las décadas 80 y 90 del siglo pasado, hasta que fue cancelado a finales de los noventa. El segundo fue montado en el IPN por el Ingeniero Mario Vázquez Reyna, pero sus resultados no se hicieron públicos. Por otro lado, en la UNAM —en el entonces Centro de Estudios Nucleares— el Doctor Julio Herrera empezó a formar un grupo, principalmente, de trabajo teórico, pero, en los ochenta desarrolló también un experimento de fusión, conocido como Foco de Plasma Denso (FPD), bautizado “Fuego Nuevo”, el cual fue seguido por otro FPD de mayor potencia, el “Fuego Nuevo II”, que estuvo en operación hasta 2013. Por otro lado, un experimento de fusión fue construido en la UAM – Azcapotzalco, basado en un concepto llamado “Z-pinch”.
     Los trabajos de fusión estuvieron concentrados en estas instituciones (experimentos en ININ, UNAM, UAM e IPN, y teoría en ININ y UNAM) hasta la primera década del siglo XXI, en la que dos grupos más se sumaron. Uno en CICATA-IPN, Querétaro y otro en la UANL, Monterrey. En Querétaro se trabaja sobre las interacciones del plasma con las paredes y también se planea revivir el tokamak TPM-1 con una importante remodelación (que se convertiría en TMP-1U). En Monterrey se proyecta construir un nuevo tokamak que, por el momento, está en etapa de diseño.
     El mayor impacto de los estudios realizados en México ha sido en el entendimiento de la física del plasma en presencia de campos magnéticos. En los tokamaks hay un problema de gran interés que consiste en entender por qué se observa una reducción repentina en la pérdida del calor contenido en el plasma, pues, este proceso puede ser clave para lograr la adecuada operación de un reactor; en esta dirección hemos propuesto diversas maneras de lograr tal reducción. También se ha estudiado la forma de mantener el plasma en equilibrio y estable, con campos magnéticos toroidales (en forma de rosca). De igual manera, se ha dedicado esfuerzos a entender cómo ocurren algunos procesos que pudieran afectar el comportamiento del plasma, conocidos como reconexión magnética.
     Por otro lado, se mantiene colaboración con el grupo que opera el experimento TJ-II de España —una variante del tokamak, llamada stellarator— a partir del cual se lleva a cabo estudios de transporte en el plasma y de la estructura magnética, a fin de entender los resultados experimentales. También, en colaboración con el Laboratorio de Oak Ridge, de EUA, se estudia el plasma del tokamak usando métodos especializados para analizar cómo se pierde las partículas del plasma por efecto de la turbulencia que está siempre presente.
     Los estudios hechos con el FN-II han contribuido de manera importante a entender las capacidades del FPD como fuente de neutrones y de rayos X, porque ya ha quedado claro que no es una alternativa como generador de energía.
     En resumen, aunque la actividad en fusión nuclear en México es baja, ha habido contribuciones importantes para avanzar en el gran logro que sería generar energía con esta fuente; sin embargo, sería deseable incrementar el interés en este objetivo.

  • Chen, F. F. (2011). An Indispensable Truth. Springer.
  • Clery, D. (2013). A Piece of the Sun. The Overlook Press.
  • Martinell Benito, J. (1995). Los prometeos modernos. FCE, La Ciencia para Todos, FCE.
Doctor Julio J. Martinell Benito

Estudió física en la UNAM y obtuvo el Doctorado en Física de Plasmas, en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. Es Investigador del Instituto de Ciencias Nucleares y Profesor de la Facultad de Ciencias - UNAM. Ha publicado gran número de artículos sobre fusión termonuclear y es miembro del SNI.

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