Carlos Hidalgo, físico nuclear (CIEMAT)

«La fusión nuclear es una enorme esperanza científica, tecnológica… y ética»

Preguntamos a Carlos Hidalgo, del Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT, por los últimos y espectaculares avances en fusión nuclear, una fuente de energía limpia, inagotable y revolucionaria capaz de llevar a la humanidad a una era de desarrollo y prosperidad.

Carlos Hidalgo Vera, director del Laboratorio Nacional de Fusión (LNF) del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), es uno de los físicos españoles más implicados en uno de los grandes sueños científicos y tecnológicos de la humanidad: lograr reproducir en la Tierra -de manera controlada y sostenible- la fuente de energía del corazón de las estrellas, la fusión nuclear. Logrando así una fuente de energía limpia, virtualmente inagotable y en cantidades gigantescas.

Preguntamos a este científico por los últimos avances en materia de Fusión artificial, tras un año, 2022, en el que se han producido importantísimos y espectaculares avances en este terreno. Nos lo explica con su hablar reposado, didáctico pero apasionado.

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El pasado 5 de diciembre, el Laboratorio Lawrence Livermore (LLNL) de EEUU lograba por primera vez una ganancia neta de energía en un experimento de fusión artificial, siguiendo la estrategia del confinamiento inercial. ¿Qué trascendencia tiene este experimento?

Permíteme que antes de contestar específicamente a tu pregunta haga un comentario general. Desde que a principios del s.XX se descubre la fuente de energía que mantiene vivas las estrellas, la fuente de energía que de alguna manera mantiene vivo al Universo, la fusión nuclear, el ser humano ha estado soñando con llegar a controlar una fuente de energía que es masiva y sostenible aquí, en la Tierra. Persiguiendo ese sueño, la ciencia internacional lleva trabajando desde mediados del siglo pasado en dos alternativas distintas para hacerlo realidad: la fusión nuclear magnética -en la que para confinar al plasma se usan campos magnéticos-, y la fusión nuclear por confinamiento inercial , que es la que se ha utilizado en el experimento del LLNL.

Partiendo de esto, la trascendencia de este experimento es que es la primera vez que la humanidad consigue amplificar energía en un proceso de fusión nuclear, y es sin lugar a dudas un gran hito científico. Pero para entender mejor la importancia de este experimento, es necesario entender en qué consiste la estrategia del confinamiento inercial para la fusión nuclear.

En el confinamiento inercial, lo que se hace es partir de una pequeñísima capa esférica sólida, que aglutina el combustible, que son isótopos pesados del hidrógeno, es decir deuterio y tritio. Esta pequeñísima pelota es irradiada con láseres de muy alta densidad de potencia. Estos láseres lo que buscan es comprimir esta pequeña esfera, tanto que al final se alcancen densidades y temperaturas tan elevadas que permitan unir, fusionar, esos núcleos de deuterio y tritio produciendo helio y energía de fusión nuclear.

El reactor de confinamiento inercial del Laboratorio Lawrence Livermore en EEUU, donde los científicos han conseguido por primera vez una reacción de fusión nuclear con ganancia neta de energía

Lo que ha conseguido el LLNL es muy relevante y para entenderlo voy a usar un símil. Imagínate que tienes una pelota de goma en la mano y quieres aplastarla cerrando el puño: es dificilísimo comprimirla manteniendo la simetría esférica porque se deforma y esparce entre los huecos de los dedos. Pues esta es la dificultad de comprimir esta pequeña esfera con láseres, que el combustible deuterio-tritio se deformaba, apareciendo inestabilidades. Lo que ha conseguido por primera vez el LLNL es comprimir esa bolita de combustible -de un milímetro de diámetro- manteniendo la simetría esférica, mediante 192 láseres de enorme precisión, hasta alcanzar las condiciones de densidad y temperatura que permiten la fusión nuclear.

El desafío tecnológico que ha habido que superar es inmenso. Ha habido que construir unas esferas de combustible de perfecta simetría. Y lo más importante, que la compresión por láser sea extremadamente simétrica. Por estas y otras razones 2022 ha sido un año enormemente fructífero en el desarrollo de la fusión nuclear.

El desafío tecnológico que ha habido que superar es inmenso

Además de los hitos en confinamiento inercial, la otra estrategia, la del confinamiento magnético también ha experimentados grandes avances, ¿no?

Efectivamente, además del éxito del LLNL, a principios de 2022 los medios se hicieron eco de los avances del JET (Joint European Torus), un reactor de fusión de confinamiento magnético de tipo tokamak que opera cerca de Oxford, en Reino Unido. Este reactor europeo también consiguió energía de fusión nuclear en un laboratorio, aunque -a diferencia del LLNL- el factor de amplificación del JET fue menor que uno, es decir, no hubo ganancia neta de energía.

Si antes te decía que en el caso del confinamiento inercial el reto era conseguir la simetría de las esferas de combustible de la compresión mediante láseres, en el caso de la fusión magnética se busca calentar el combustible de deuterio-tritio a temperaturas enormes, tan elevadas que son del orden de diez veces las que hay en el núcleo del Sol. Y para atrapar, para mantener encerrado el plasma a esas temperaturas, hay que usar campos magnéticos extremadamente intensos, del orden de cien mil veces los del campo magnético de la Tierra. En ambos casos se consigue la presión y la temperatura suficientes como para alcanzar la fusión nuclear.

¿Qué nos falta para un reactor de energía de fusión comercial?

Infografía de BBC sobre el esquema de funcionamiento de la fusión nuclear a partir de deuterio-tritio

Tenemos dos enfoques diferentes -comprimir el combustible mediante láser, o usar campos magnéticos muy intensos para calentar y contener el plasma- que sabemos que funcionan. Pero ahora hay que integrar la tecnología que permita generar energía eléctrica de manera estable y verterla en la red, y para eso aún quedan muchos retos a superar.

Y en esto tenemos una gran diferencia en el grado de desarrollo de la fusión inercial y de la fusión magnética. En el caso del reactor magnético JET hay un concepto muy desarrollado de cómo integrarlo que es el proyecto ITER (siglas en inglés del Reactor Termonuclear Experimental Internacional) que se está construyendo en el sur de Francia, un megaproyecto que integra ciencia, tecnología e ingeniería en el que participan gran cantidad de países. En cambio, el enfoque del confinamiento inercial, en el plano de desarrollar un reactor está mucho más en pañales, muchísimo menos desarrollado. Haría falta realizar la compresión por láser de más de 10 «bolitas» por segundo, con altísima precisión para mantener la simetría, y eso da idea de la complejidad del reto.

Por eso, aunque el primer experimento con ganancia neta de energía ha sido el del LLNL con confinamiento inercial, no tengo ninguna duda de que la estrategia que primero conseguirá superar los retos tecnológicos para lograr reactores comerciales será el confinamiento magnético, la vía que persigue ITER.

Los grandes retos científicos requieren ser persistentes

¿Y a qué distancia temporal estamos para conseguir ese ansiado reactor? ¿Una década, cinco?

Aquí me vas a permitir que sea cauto, y un comentario un poco filosófico. Los grandes retos científicos y tecnológicos requieren ser persistentes en resolver todos los desafíos. Yo le suelo contar a mis estudiantes una historia, seguramente poco conocida, de como Leonardo da Vinci -que además de ser un genial artista fue un gran ingeniero- siempre tuvo un gran sueño: construir máquinas para poder volar.

Esos dibujos de alas de murciélago, o de helicoides…

Algunos de los muchos diseños de Leonardo da Vinci sobre máquinas voladoras

Efectivamente. Pero Leonardo fracasó. Y se dio cuenta de que si el ser humano quería volar, hacían falta dispositivos mecánicos.

Y ahora me voy a otra fecha paradigmática en la historia de la ciencia, el lanzamiento de las sondas Voyager en los años 70, que hace años han abandonado el Sistema Solar. En su genial libro «Un punto azul pálido», Carl Sagan nos retrata esa imagen tomada desde la Voyager en la que la sonda, ya a 6000 millones de kilómetros, retrata nuestro planeta como un pequeño pixel de luz blancoazulado en la negrura.

«Un punto azul pálido», uno de los más inspiradores ensayos del astrónomo y divulgador Carl Sagan

Entre estas dos imágenes históricas pasaron cinco siglos. Que duda cabe que el ritmo del desarrollo científico y tecnológico y de la innovación técnica se ha acelerado abrumadoramente, pero esta historia -de Leonardo y su sueño de volar, y la bellísima foto del Voyager- nos dicen que hay sueños que son posibles si el ser humano es persistente.

La fusión nuclear, el sueño de una energía limpia e inagotable, es uno de los grandes desafíos que tiene ante sí la humanidad en el s.XXI. Los avances han sido espectaculares, y el año 2022 ha conseguido el doble hito de conseguir energía de fusión mediante los dos enfoques, inercial y magnético. Pero ahora nos encontramos ante el desafío de integrar la tecnología.

Y es importante saber que los retos no resueltos son aún considerables. Pongo un ejemplo. Cuando el combustible, ese plasma de deuterio y tritio, está en esas condiciones de presión y temperatura extremas a la que se produce la fusión nuclear, se despiden neutrones de altísima energía y núcleos de Helio (radiación alfa). Estas partículas de muy alta energía acaban interaccionando con las paredes del reactor. Entonces, uno de los retos de primera línea para desarrollar la fusión comercial es validar qué materiales -aceros, etc…- resisten un tiempo suficientemente largo un entorno tan extremo como el que va a tener que soportar un reactor de fusión nuclear.

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En ese cometido está implicada España, con el centro IFMIF-DONES de Granada, ¿no?

Eso es. Por eso pongo este ejemplo de los materiales, además de que es uno de los más significativos. En este gran desafío de integración tecnológica para lograr reactores, que son los materiales, podemos sentirnos muy orgullosos de que nuestro país y nuestra ciencia está llamada a cumplir un papel destacado, en el centro IFMIF-DONES que se está empezando a construir en Escúzar (Granada).

Se está acelerando la investigación para superar todos estos retos, necesarios para pasar de la demostración científica de la fusión nuclear a la integración tecnológica que permita su uso comercial.

Y cuando se consiga -porque se conseguirá- ¿qué perspectivas abre la fusión artificial para la humanidad?

El proyecto IFMIF-DONES en Escúzar (Granada) busca investigar sobre los materiales necesarios para construir reactores de fusión nuclear

Como dices, no tengo ninguna duda de que la fusión nuclear artificial se conseguirá en el s.XXI. Y lograr esto nos da la forma de resolver uno de los grandes problemas de la humanidad. Desde finales del s.XX hemos tomado conciencia de la fragilidad de la naturaleza frente a las acciones del ser humano. Antes pensábamos que el planeta se lo tragaba todo, y ahora comprobamos lo equivocados que estábamos. El cambio climático nos demuestra cuan frágil es este «punto azul pálido», y que el medio ambiente tiene unos límites.

Para resolver esta fragilidad medioambiental, necesitamos una fuente de energía que sea no sólo limpia, sino masiva. Enfatizo lo de ‘masiva’ por el número de países en vías de desarrollo que necesitan enormes cantidades de energía para sacar a sus habitantes de la pobreza, por ejemplo India con 1.400 millones. Es de justicia que esos seres humanos alcancen el bienestar, y eso requiere consumo energético.

Lograr este grial significará un gran salto para la humanidad

Carlos Hidalgo

Necesitamos fuentes de energía masiva, pero que al mismo tiempo sea sostenible. Y eso significa que no afecte al clima, que no genere gases de efecto invernadero, y que no genere residuos -todas las fuentes energéticas los generan- que comprometan al medio ambiente y a las generaciones futuras.

Estas dos palabras mágicas -energía masiva y sostenible- es lo que distingue a la energía de fusión nuclear. Por eso lograr este grial significará un gran salto para la humanidad en su capacidad de entender y controlar la naturaleza, sino un gran salto en nuestra obligación de respetar el medio ambiente, y de legar a nuestros hijos un planeta habitable. Y esto es una obligación de carácter ético.

Nos ha tocado vivir una época de muchos cambios, muchos de ellos terribles como el cambio climático. Pero también una época de esperanza, donde el conocimiento y el método científico nos dan las claves para superar esas amenazas y abrir otra época de bienestar para el ser humano. Hacer realidad los grandes retos de la humanidad requieren de un esfuerzo sostenido, pero también un compromiso ético con el planeta y las generaciones futuras. Y ese es el inmenso horizonte que nos abre la fusión.

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