La fusión nuclear es el mito energético por excelencia de nuestro tiempo, la promesa de una fuente abundante, barata, segura, limpia y asequible de energía para un mundo cada vez más sediento de ella. Una panacea cuya consecución es tan complicada que los científicos llevan cerca de 70 años intentando, hasta ahora infructuosamente, hacerla realidad. Como el horizonte, a medida que el conocimiento y la tecnología avanzan en pos de su consecución el objetivo parece alejarse al mismo ritmo. Pero el pasado diciembre se produjo un enorme salto adelante; un hito que quizás no acorte los plazos, pero muestra que el empeño es alcanzable y el camino adecuado: por primera vez se consiguió una reacción de fusión nuclear controlada con ganancia de energía; lo que se denomina ignición.

Texto: Ignacio Fernández Bayo | Periodista de ciencia

La estrella más pequeña y fugaz del universo nació en California el 5 de diciembre de 2022. Medía apenas un milímetro de radio y vivió tan solo una ínfima fracción de segundo, pero brilló de forma extraordinaria gracias a una reacción de fusión nuclear, la misma que alimenta a las estrellas del cosmos, provocada por la conjunción de 192 rayos láser, y devolvió con creces la energía que había recibido. La explosión se produjo en el gigantesco laboratorio denominado National Ignition Facility (NIF), una instalación que forma parte del Lawrence Livermore National Laboratory de Estados Unidos, y se trata de la primera ignición controlada de la historia.

La fusión nuclear consiste en la unión de dos núcleos atómicos ligeros para formar un núcleo más pesado. Por ejemplo, deuterio y tritio, dos isótopos del hidrógeno, que se funden para crear un núcleo de helio. En este proceso se desprende una enorme cantidad de energía, muy superior a la que proporciona la fisión nuclear. Desde la década de 1930 se sabe que este es el mecanismo que se produce en el interior de las estrellas y que genera la energía que recibimos del Sol.

Desde sus inicios los científicos se plantearon aprovechar esta fuente energética cuyo combustible es muy asequible, ya que el deuterio se puede obtener de forma prácticamente inagotable del agua del mar y el tritio es fácil de producir. Pero conseguir vencer la repulsión electrostática que se produce entre los protones de ambos núcleos, dado que tienen carga eléctrica positiva, es tremendamente complicado porque exige unas condiciones de presión y temperatura extremas.

La fusión es el mecanismo de la bomba de hidrógeno (o termonuclear), que consigue esas condiciones mediante la explosión de una bomba de fisión nuclear, que actúa como detonador. Pero conseguir la fusión de manera controlada y pacífica es, probablemente, el reto más complicado que se haya planteado la humanidad, que lleva ya cerca de 70 años trabajando en ello. Las grandes instalaciones construidas para lograr este objetivo han ofrecido resultados esperanzadores. Se han producido reacciones de fusión, pero la energía empleada en provocar la reacción ha sido siempre muy superior a la obtenida. El resultado conseguido por la National Ignition Facility ha logrado por primera vez obtener una ganancia neta y nada menos que del orden del 50 %: la energía que impactó en el cilindro que contiene la bolita de combustible era de 2,05 megajulios, y la que se desprendió fue de 3,15. Estas cifras esconden, sin embargo, una trampa. No tienen en cuenta la energía inicial necesaria para cebar el láser, que es, según Manuel Perlado, presidente del Instituto de Fusión Nuclear de la Universidad Politécnica de Madrid, especialista en confinamiento inercial e investigador invitado de NIF en el pasado, “del orden de 300 megajulios”

La fuerza de la luz

La instalación estadounidense es el laboratorio más avanzado del mundo en el ámbito de la fusión nuclear por confinamiento inercial, que utiliza la energía de un potente haz de luz láser para provocar la fusión de los núcleos de deuterio y tritio que forman el combustible. Se trata de un camino muy diferente al de la otra gran opción para conseguir la fusión nuclear, el confinamiento magnético, que es el utilizado en el reactor europeo JET (Oxford, Reino Unido) y el que empleará el futuro reactor internacional ITER, que se está construyendo en Cadarache (Francia).

NIF ocupa una inmensa nave de 200 metros de longitud y 120 de anchura, superficie en la que cabrían casi cuatro campos de fútbol, y tiene la altura de un edificio de 10 plantas. En uno de sus extremos se encuentra la cámara de ignición, una esfera de 10 metros de diámetro hecha de hormigón en cuyo interior se encuentra la minúscula esfera de combustible. El otro elemento clave es el generador de luz láser, de neodimio sólido  bombardeado por lámparas de destello que generan fogonazos de luz que excita los átomos de neodimio para producir el rayo láser primigenio. En el momento de su puesta en marcha, en 2010, era el láser más potente del mundo.

Entre ambos elementos se encuentra un laberíntico camino, que va y viene a lo largo de la nave. Un camino por el que circula la luz y que está jalonado por miles de instrumentos ópticos, lentes y espejos, algunos de los cuales van dividiendo el haz láser inicial hasta convertirlo en 192 rayos, mientras que otros amplifican su energía desde apenas unas milmillonésimas de julio del láser madre hasta los más de dos megajulios que impactan en la cápsula del combustible. La energía se multiplica a lo largo de este proceso por más de mil billones de veces. Tras realizar varios viajes a lo largo de la nave, los rayos de luz penetran en la cámara de ignición a través de 192 agujeros practicados en su pared para descargar su energía al unísono.

La bola de combustible es una cápsula hueca de plástico en cuyo interior se encuentra el deuterio y el tritio, en cantidad tan ínfima como un miligramo, que se enfría hasta 4 K para que se solidifique y se distribuya homogéneamente por el interior, adherido al plástico formando una capa de apenas 70 micras. Pero la descarga del láser no se realiza directamente sobre la minúscula bolita sino en el interior de un cilindro metálico (denominado hohlraum) que la aloja y que al recibir el impacto genera un intenso fogonazo de rayos X que son los que calientan la cápsula y provocan la reacción.

El deuterio y el tritio alcanzan temperaturas del orden de los 100 millones de grados Celsius y se ven impulsados hacia el centro con una presión de miles de millones de atmósferas; generando una implosión brutal, en condiciones que permiten acercar los núcleos atómicos lo suficiente como para que entre en acción la fuerza nuclear fuerte y se fusionen, provocando la explosión final. Desde el disparo inicial del láser apenas ha transcurrido un microsegundo; el proceso de compresión y calentamiento del combustible ha durado 0,2 nanosegundos y el impacto de la radiación generada contra el interior de la cámara unos microsegundos más.

El proceso ha terminado y la estrella artificial se ha extinguido. 12 años de experimentos Los intentos para conseguir el resultado ahora obtenido se iniciaron en 2010, miles de experimentos que consiguieron provocar la reacción de fusión, pero en cantidades mucho menores que las necesarias para la ignición. Tras el optimismo inicial frustrado por los resultados, se fueron detectando los problemas y buscándoles solución durante la docena de años transcurridos. ¿Qué ha cambiado para conseguirlo ahora? Según explica Manuel Perlado, “la clave del éxito ha sido conseguir una iluminación perfecta del blanco. Han conseguido controlar las inestabilidades que se producen. Es como si intentas comprimir una bola de goma con la mano; según presionas en algunos puntos por otros se aleja.

En este caso se ha conseguido una compresión homogénea. Era un problema conocido, cuya descripción y solución no había sido debidamente acotada en los modelos de cálculo que han sido extensamente mejorados, junto al diseño de las cápsula. Además, la energía final del láser se ha incrementado con nuevos elementos ópticos desde 1,7 megajulios hasta los 2,05 de esta ocasión e incluso han hecho disparos de hasta 2,2. También se ha aumentado la masa de combustible, se ha cambiado el material del cilindro y se ha mejorado la manufactura de la cápsula”. Carlos Hidalgo, director del Laboratorio Nacional de Fusión, perteneciente al Ciemat, coincide en la valoración del evento: “El gran logro científico ha sido comprimir una esfera a altísimas densidades manteniendo la simetría esférica. Implosionarla sin deformarla. Es un éxito sin paliativos. Me descubro ante este resultado”. Pese a ello, considera que a la fusión inercial le falta aún muchísimo desarrollo tecnológico para pasar a ser una opción relevante para generar energía. “Sería necesario un sistema que colocara una bolita cada décima de segundo, en su posición exacta y reproducir ese grado de simetría en cada implosión. Esa tecnología está aún muy lejana”. De momento, solo se ha conseguido un evento, entre los cientos de intentos que realizan cada año. “Tienen que repetirlo y rápido —dice Perlado— porque si no tendremos problemas. Y tienen que hacerlo refinando los experimentos para dar el siguiente paso y conseguir algo más de energía, porque, aunque la ganancia haya sido espectacular aún es muy pequeña. Eso se conseguirá aumentando la masa en ignición y la energía del láser. Los modelos indican que si todo es super perfecto se puede quemar entre el 30 y el 40 % de la masa y aún hay margen de mejora”.

Nuevos láseres

Pero los avances necesarios para alcanzar la meta del aprovechamiento energético de la fusión inercial van más allá de las posibilidades de NIF en su configuración actual, que es ya, de alguna manera, un instrumento obsoleto. “El láser de neodimio sólido tiene una eficiencia inferior al 1 %. Y el sistema utilizado para estimular los átomos y producir el efecto láser es muy ineficiente, porque son lámparas de destello que emiten luz blanca, que como es sabido tiene un espectro muy amplio y lo que se necesita es excitar electrones en un rango muy estrecho, así que se desperdicia buena parte de la energía”, explica Perlado.

Una alternativa que plantea es usar diodos semiconductores. “Livermore tiene un láser de ese tipo, el Mercury, con eficiencias del 15 al 20 %, y además es capaz de repetir el pulso cinco veces por segundo. El problema es que tiene una energía muy baja. En Europa tenemos ya láseres repetitivos de alta eficacia disparando en nanosegundos, en las instalaciones de la Extreme Light Infraestructure, en la República Checa, y también en Francia y en Reino Unido, aunque, de nuevo, de baja energía”, añade. Otra opción, dice Perlado, “es utilizar láseres de excímeros, con difluoruro de kriptón o de argón, que emiten en el ultravioleta y de los que hay ya varios. Los más señeros son los del Naval Research Laboratory, cerca de Washington, como el Nike o el Electra, que tiene una eficiencia del 15 al 20 % pero aún de baja energía”. Y también existen empresas privadas en Estados Unidos trabajando en este campo, como Xcimer Company, que están desarrollando un láser que, aseguran, podrá alcanzar decenas de megajulios. Según Perlado, para la obtención comercial y efectiva de la energía de fusión inercial las ideas de los esquemas de ignición y ganancia son distintas a las empleadas en NIF. En lugar de iluminar el hohlraum, el láser impactará directamente en la bola de combustible.

Es lo que se llama iluminación directa, y dentro de ese esquema aparecen opciones como la ignición por choque, que se investiga en Europa, o la denominada ignición rápida, que persigue Japón, que consiste en usar dos rayos láser, uno para comprimir y otro para calentar el combustible. “El primer láser es de algunos nanosegundos y cuando está en el último nanosegundo de compresión lanzan el segundo, que es el que calienta el interior del combustible”. Hay aún más opciones, como la que propone la empresa Focused Energy, que utiliza partículas cargadas, protones esencialmente, generados por láseres ultracortos y que producen una iluminación rápida del blanco.

La cuestión no es solo conseguir mejorar la eficiencia y la energía obtenida, sino desarrollar, como plantea Carlos Hidalgo, un sistema que permita una producción regular y continua de energía. Perlado coincide y señala que “se trata de conseguir que el láser y la cápsula estén perfectamente sincronizados; que lo que se ha conseguido en condiciones estáticas se haga en condiciones dinámicas. Pero ya se investiga en eso desde hace tiempo. El Instituto de Ingeniería del Láser de Japón, junto con el grupo Hamamatsu, y también General Atomics en Estados Unidos, tienen ya sistemas a pequeña escala que disparan el láser a intervalos de un segundo e impactan en las cápsulas de manera repetitiva; lo hacen a pequeña escala y en distancias muy cortas, pero consiguen una buena sincronización”. Y apunta que otro problema es disponer de las cápsulas, criogenizadas y colocadas con precisión en el hohlraum, o cilindro, preparadas y fabricadas a la velocidad requerida, “y eso no es cosa trivial. Pero también aquí se investiga y hay incluso ya algunas patentes. General Atomic, por ejemplo, que es la empresa que suministra blancos a los laboratorios nacionales, está metida en el tema”.

Todas las investigaciones para ir solucionando los problemas planteados deberían dirigirse hacia la puesta en marcha de un sistema demostrativo, capaz de combinar todas estas opciones tecnológicas de manera que consiga generar energía eléctrica. A diferencia de los sistemas de confinamiento magnético, donde está prevista la construcción de un reactor DEMO, “en inercial no hay casi nada hecho”, reconoce Perlado, pero añade que hace un año el Gobierno estadounidense comenzó a agrupar a sus laboratorios, universidades y empresas privadas y a financiar proyectos que considere excelentes, en una primera fase a 18 meses, prorrogables hasta cinco años, con una dotación de varias decenas de millones de dólares.

Por su parte, Europa a través de una iniciativa académica de varios países europeos, entre los que está España, está confeccionando un mapa de necesidades y una hoja de ruta para las autoridades, recuperando la idea del proyecto HiPER de fusión inercial, que se mantuvo vigente dentro del programa europeo ESFRI desde 2006 a 2014, año en que se canceló por la ausencia de resultados en los experimentos de NIF. Quizás con el éxito alcanzado ahora en ese mismo laboratorio estadounidense se pueda volver a plantear. Pero será siempre a un horizonte de 40 o 50 años. Un plazo que difícilmente alcanzará Manuel Perlado: “Yo imagino una sociedad en el año 2080 en la que mi hija pueda ver y disfrutar de esta fuente energética, junto con las renovables”, aunque, siempre optimista, añade que “quizás la colaboración público-privada puede darnos alguna sorpresa antes”.