teoría girocinética, fusión con muones y su impacto

Nuestro planeta dispone de combustible para satisfacer las deposición energéticas de la contemporáneo población mundial durante trece millones de abriles. Eso sí, utilizando la fusión nuclear. Esto es, al menos, lo que defienden el físico teórico Steve Cowley, uno de los principales promotores de esta innovación, y buena parte de los científicos que abogan por esta tecnología como la alternativa más sólida tanto a la quema de los combustibles fósiles como a la contemporáneo fisión nuclear.

En la primera entrega de esta serie de artículos que hemos dedicado a la fusión nuclear indagamos en su almohadilla científica y en qué hace tan diferentes a la fisión y la fusión a pesar de compartir el «patronímico» nuclear. Y en el segundo artículo profundizamos en los retos técnicos y científicos que debemos resolver para que la fusión nuclear sea viable desde una perspectiva comercial. Sin confiscación, aún quedan varios puntos importantes que todavía no hemos tratado, y que son los auténticos protagonistas de este tercer artículo.

La teoría girocinética nos permite ser optimistas

Actualmente los retos que nos plantea la fusión nuclear involucran con más claridad a la ingeniería que a la física. Los primeros coqueteos con la fusión comenzaron hace aproximadamente cinco décadas, pero esos incipientes diseños de reactores Tokamak tropezaron con una barrera infranqueable dados los posibles de los que disponían los científicos de la época: el confinamiento hipnótico.

Para confinar el plasma con precisión es necesario desarrollar modelos capaces de describir su comportamiento

Y es que preservar en el tiempo un campo hipnótico capaz de controlar las turbulencias del plasma, que, como sabéis, en la fusión es un gas que contiene núcleos de deuterio y tritio a temperaturas de hasta doscientos millones de grados centígrados, no es nadie acomodaticio. Para resolver este oposición era necesario desarrollar modelos capaces de predecir con absoluta precisión el comportamiento del plasma, de guisa que fuese posible diseñar un campo hipnótico muy estable, y, por consiguiente, capaz de impedir que este gas toque las paredes del contenedor que lo aísla del exógeno.

El problema es que cuando los físicos comenzaron a trabajar en la fusión nuclear no tenían a su disposición las herramientas que necesitaban para crear modelos capaces de predecir cómo se comporta el plasma en el interior del reactor. Los primeros experimentos fueron frustrantes. Sus resultados eran radicalmente diferentes a los que predecían los modelos de la época, por lo que la fusión estable y perdurable en el tiempo parecía estar aún muy allá, a pesar de los avances en el diseño de los reactores que poco a poco se habían ido consolidando.

Esta imagen refleja cómo se comportará el plasma, que alcanzará una temperatura cercana a los doscientos millones de grados centígrados, en el interior del reactor de fusión de ITER.

Afortunadamente, el panorama en lo que concierne al estudio de las interacciones de las partículas con carga eléctrica del plasma comenzó a cambiar radicalmente hace dos décadas. Y lo hizo gracias a la venida de los superordenadores tal y como los conocemos hoy en día, y, por consiguiente, con la capacidad de cálculo necesaria para enfrentarse a problemas de este tipo. Gracias a ellos fue posible desarrollar la teoría girocinética, que podemos explicar como el conjunto de modelos matemáticos que describen el comportamiento del plasma a las temperaturas que manejamos en el interior de los reactores de fusión nuclear.

La venida de la última concepción de superordenadores con una enorme potencia de cálculo ha impresionado un punto de inflexión en la teoría girocinética

Durante los últimos veinte años la capacidad de cálculo de los superordenadores no ha dejado de incrementarse. Y, por otra parte, los físicos han desarrollado modelos matemáticos más sofisticados, por lo que hoy en día es posible describir con mucha precisión cómo va a comportarse el plasma durante la fusión. Si nos paramos a pensarlo un momento es emocionante que, a pesar de no contar con este conocimiento, los técnicos del JET (Joint European Thorus), en el Reino Unido, consiguiesen en 1997 sostener la reacción de fusión nuclear durante dos segundos. Y obtener gracias a ella dieciséis megavatios de potencia, o, reflejado con una dispositivo un poco más manejable, dieciséis millones de vatios.

Con este precedente, y valorando la enorme incidencia que está teniendo el explicación de los superordenadores en la teoría girocinética, resulta muy prometedor lo que lograrán los científicos e ingenieros involucrados en ITER cuando lo pongan en marcha. Como vimos en el segundo artículo de esta serie, el Consejo de Gobierno de este plan ha fijado 2025 como el año en el que se realizarán las primeras pruebas con plasma en el reactor, por lo que los avances introducidos por la teoría girocinética durante los últimos abriles, y los que llegarán hasta entonces, deberían hacerse notar.

Titan Este es el aspecto que tienen los superordenadores hoy en día. El de la foto es Titán, el exagerado ordenador del Laboratorio Nacional Oak Ridge para programas de ciencia y tecnología que administra el Departamento de Energía de Estados Unidos.

No obstante, la ejecución de estos modelos matemáticos en los superordenadores conlleva otras dos ventajas que no debemos advenir por suspensión: la reducción de los costes y el reducción de tiempo. Todos podemos intuir lo caro que es construir un reactor de fusión nuclear. Según el consorcio mundial responsable de su diseño y construcción, ITER tendrá un coste de poco más de vigésimo mil millones de euros. Y a esta signo habrá que sumar los costes de mantenimiento que, como todos podemos imaginar, no serán en definitivo despreciables.

Gracias a los superordenadores y los modelos matemáticos podemos librarse tanto tiempo como costes

Pero aquí es donde entran en entretenimiento nuevamente los superordenadores y la teoría girocinética. Y es que gracias a estos dos posibles los científicos pueden modificar los parámetros del maniquí matemático para enterarse qué intención tendrá esa variación en el comportamiento del plasma. Y, de esta forma, pueden contemplar qué modificaciones deben introducir en el reactor, pero teniendo una concepto muy precisa del intención que tendrán en la reacción de fusión.

Por supuesto, estos cálculos son muy complejos, y tienen un coste en términos del consumo energético que requieren los superordenadores, pero es obvio que este pago es infinitamente último que el que conllevaría la comienzo material de estas modificaciones en el reactor sin siquiera tener una idea más o menos certera de lo que podemos esperar de ellas.

Fusión con muones: la fusión nuclear perfecta, pero allá de la rentabilidad

En ciencia algunos de los avances más notables son fruto del azar. Aunque, eso sí, la casualidad en este ámbito aparece si la propicias. Os descripción esto porque, curiosamente, el método que los científicos consideran más válido desde la perspectiva de la temperatura para transigir a angla la fusión nuclear fue predicho por los físicos teóricos Andrei Sakharov y Frederick Charles Frank, ruso el primero y anglosajón el segundo, en la decenio de los abriles cuarenta del siglo pasado. Y ya ha llovido desde entonces. Pero lo interesante es que la confirmación de su hallazgo llegó poco luego, en 1956, de la mano de un intento llevado a angla por Luis Walter Álvarez, un físico positivo estadounidense con antepasados españoles, en Berkeley.

L. W. Álvarez estaba utilizando la cámara de burbujas de la universidad para estudiar la interacción de los muones con el hidrógeno claro que contenía el depósito de la cámara. Antes de seguir delante nos interesa enterarse que una cámara de burbujas no es otra cosa que un depósito, normalmente ahíto de hidrógeno claro levemente por debajo de su temperatura de revuelo, diseñado para estudiar partículas con carga eléctrica.

Atlas Este es el aspecto de ATLAS, el detector de muones del CERN, en Ginebra (Suiza).

Su funcionamiento es relativamente sencillo: al introducir una partícula cargada el claro alcanza su punto de revuelo y la partícula deja un huella de burbujas que es posible percibir, y que permite estudiar algunas de sus propiedades, como su masa o su carga.

Sin pretenderlo en realidad, Álvarez se topó de bruces con la fusión inducida por muones. Un muon es una partícula elemental que tiene la misma carga negativa de un electrón, pero que se diferencia de este en dos propiedades muy importantes: su masa es doscientas veces decano que la del electrón y expedición en una trayectoria que está doscientas veces más cerca del núcleo atómico.

Los muones son partículas con la carga de los electrones, pero su masa es doscientas veces decano que la de estos últimos

Si introducimos un muon en un recipiente anejo a un núcleo de deuterio y otro de tritio, el muon ocupará el circunscripción de un electrón, pero quedará mucho más cerca del protón del núcleo (recordemos que el deuterio y el tritio son isótopos del hidrógeno y tienen un único protón en el núcleo) de lo que lo estaba el electrón innovador.

Como el muon tiene carga negativa y la del protón es positiva, dada su mucha decano proximidad frente a la trayectoria del electrón, la carga del protón se ve neutralizada, de guisa que cerca de la posibilidad de que otro protón cercano se acerque al protón rodeado por el muon. Si la carga de este postrer ha sido neutralizada y entreambos protones se acercan lo suficiente, es posible que la interacción nuclear musculoso entre en movimiento y se produzca la fusión de entreambos núcleos, con la consiguiente exención de energía, tal y como vimos en el primer artículo que dedicamos a la fusión nuclear.

Todo esto significa, sencillamente, que si colocamos en un contenedor una mezcla de deuterio y tritio, e introducimos un muon, esta última partícula provocará la fusión de un núcleo de deuterio y otro de tritio. Se liberará mucha energía, como hemos gastado, y, por otra parte, el muon no se consumirá. De hecho, una de estas partículas puede intervenir en hasta dos centenares de fusiones antiguamente de desintegrarse. Pero las ventajas de la fusión catalizada por muones no acaban aquí.

Camara Este es el aspecto de una cámara de burbujas similar a la que utilizó L. W. Álvarez en su intento. Esta, en particular, perteneció al Laboratorio Nacional Fermi, en Chicago, aunque ya no está operativa.

Para fusionar deuterio y tritio utilizando como catalizador un muon los núcleos de los dos primeros principios no tienen por qué estar a los doscientos millones de grados centígrados que requiere la fusión nuclear mediante confinamiento hipnótico. Basta que estén a una temperatura de unos quinientos grados centígrados, que no es nadie comparado con esos doscientos millones de grados. De hecho, esta es la razón por la que esta forma de fusión suele conocerse como «fusión fría», incluso aunque en realidad no sea del todo fría.

Como veis, hasta aquí todo pinta de maravilla. Pero hay dos restricciones lo suficientemente importantes como para que este procedimiento de fusión no sea rentable. Al menos, hasta este momento. Por un flanco, los muones se desintegran al alcanzar una signo cercana a las doscientas fusiones, y, por otra parte, para obtener un muon necesitamos colisionar partículas e modificar en este proceso aproximadamente doscientas veces la energía que obtendremos como resultado de la fusión nuclear. En estas condiciones, obviamente, este proceso no es rentable desde un punto de perspectiva energético.

La fusión «fría» inducida por muones actualmente no es rentable porque resolverlo atenta contra la física fundamental, pero nunca se sabe qué sucederá en el futuro…

La única forma de alcanzar un arqueo energético positivo durante este proceso requiere encontrar la guisa de que los muones no se desintegren luego de esas aproximadamente doscientas fusiones. Y, por el momento, esta posibilidad atenta contra la física fundamental.

Aun así, si alguno encuentra la forma de que un muon permita alcanzar una cantidad de fusiones superior a esas doscientas, la fusión inducida por estas partículas será rentable. Y nuestras deposición energéticas serán, por fin, resueltas durante los trece millones de abriles de los que os he hablado en las primeras líneas de este artículo. Pero esto, desafortunadamente, hoy solo es ciencia ficción.

El impacto medioambiental de lo nuclear

Todo parece indicar que a los combustibles fósiles les «queda cuerda para rato». Llevamos mucho tiempo leyendo y escuchando en los medios de comunicación que las reservas de petróleo solo perdurarán un puñado de décadas, pero, al parecer, los expertos no se ponen de acuerdo acerca del bombeo de las reservas de los países que mandan en este mercado, en gran parte porque a muchos estados no les interesa hacer público su stock.

Además, la irrupción del fracking, una técnica muy discutida por su posible implicación en movimientos sísmicos, y también por su potencial contaminante, parece estar ayudando a Estados Unidos a incrementar sustancialmente sus reservas de crudo. De hecho, un informe elaborado por la consultora noruega Rystad Energy revela que la decano parte de las bolsas de petróleo de Norteamérica todavía no se han descubierto, por lo que podría convenir mucho más petróleo del que los expertos intuían hace unos abriles.

Fracking Las zonas rojas del atlas identifican aquellas con un decano peligro de terremotos, y los recuadros azules muestran en qué ubicaciones se está practicando el fracking (Fuente: USGS).

Pero esto no es todo. Y es que el petróleo no es el único combustible fósil que estamos utilizando. También obtenemos energía a partir del gas natural, los petróleos no convencionales, los gases de esquisto, las arenas bituminosas y muchos otros posibles que parecen indicar que, a medio plazo, no tenemos por qué preocuparnos de las reservas de hidrocarburos. De hecho, Steve Cowley, el físico que abandera la fusión nuclear y al que he mencionado varias veces en mis artículos, asegura que los combustibles fósiles pueden proporcionarnos energía durante al menos dos siglos más. Pero no lo afirma con esperanza. Lo dice con consternación.

Y es que lo que en principio parece una buena comunicado puede no serlo tanto si nos planteamos qué impacto tendrá en el medioambiente la abrasamiento de hidrocarburos al ritmo contemporáneo, o a uno superior incluso, durante décadas. Dejando a un lado la discusión acerca de la influencia del hombre en el cambio climático, lo que es evidente es que seguir recurriendo a los combustibles fósiles durante muchas décadas más puede ser arriesgado, aun asumiendo que todavía no disponemos del conocimiento necesario para cuantificar este peligro y sus posibles consecuencias con precisión.

Algunos expertos aseguran que los combustibles fósiles pueden proporcionarnos energía durante al menos dos siglos más, pero esto es un armamento de doble filo

Precisamente, es en este tablado en el que adquiere peso la fusión nuclear como la fuente de producción de energía limpia y segura que los científicos esperan que sea. Es limpia porque, como hemos gastado en los otros artículos, el producto de la fusión es un átomo de helio, que es estable, y, por consiguiente, no es radiactivo, y un neutrón de entrada energía. Este postrer escapará al campo hipnótico que confina el plasma y acabará chocando con las paredes del contenedor, que estarán recubiertas de litio con el objetivo de ocasionar nuevo tritio que se reutilizará en la reacción de fusión.

Esta táctica plantea un problema desde el punto de perspectiva de los residuos: esos neutrones de entrada energía pueden chocar con los núcleos de las paredes del contenedor, degradando así el material y volviéndolo radiactivo. Precisamente, este es el hándicap que están intentando resolver, o, al menos, atenuar, los científicos en el plan IFMIF-DONES. Pero, en el peor de los casos, los residuos de la fusión nuclear plantean un problema de relevancia muy inferior a la de los resultantes de la fisión nuclear.

Ifmif Dones La instalación IFMIF para la que se está postulando Granada contará con dos aceleradores capaces de acelerar una corriente de 125 mA de deuterones hasta 40 MeV. Construirlos es un oposición tecnológico de proporciones casi épicas.

La radiactividad de los materiales utilizados en las paredes del contenedor será mil veces inferior a la del plutonio que obtenemos en las centrales de fisión nuclear actuales. Además, su vida media es de aproximadamente diez abriles, y en un siglo esos materiales serían completamente inocuos. Como veis, este panorama es mucho más acomodaticio de defender que el planteado por la fisión; pero, aun así, los técnicos tienen la esperanza de que IFMIF-DONES nos permita ceñir aún más los residuos de la fusión.

El reactor de fusión nuclear de ITER contendrá en un instante determinado menos de 1 gramo de combustible

Por otro flanco, para entender por qué la fusión nuclear es segura solo debemos tener en cuenta que en el interior del reactor en un instante poliedro hay menos de un gramo de combustible. Por mucho que el contenedor tenga un bombeo de más de mil metros cúbicos, como en ITER. Si se produjese un montaña, solo tendríamos que dejar de suministrar combustible al reactor, y la fusión se detendría al instante.

Además, las condiciones para transigir a angla la reacción son tan exigentes en lo que concierne a la temperatura que cualquier inestabilidad provocará la detención del proceso, que, por otra parte, como hemos visto en los otros artículos, no puede poner en marcha ningún tipo de reacción en prisión.

La energía y el explicación humano

Antes de concluir el artículo me parece importante entregarse unas líneas al papel esencial que ejerce la energía en el explicación humano. Steve Cowley inició la conferencia en la que tuve la oportunidad de conocerlo tratando este tema. Antes incluso de despuntar a departir de física e ingeniería. Y es que el esfuerzo que el ser humano está haciendo para intentar que la fusión nuclear funcione tiene sentido si en realidad conseguimos utilizarla para resolver nuestras deposición energéticas. Pero no solo las de los países desarrollados, sino incluso las de las naciones más pobres que actualmente están asoladas por la desaparición de oportunidades que provoca, entre otros factores, la carencia de energía.

Para mejorar su nivel de vida estas personas necesitan consumir más energía que aquella de la que disponen actualmente. Es una idea intuitiva que todos podemos comprender sin esfuerzo. Pero, por otra parte, existen una infinidad de informes llevados a cabo por autoridades académicas e investigadores que relacionan con precisión matemática la dependencia que existe entre la calidad de vida y la tasa de retorno energético (en la letras suele aparecer como EROI porque deriva de la denominación anglosajona Energy Return On Investment).

Eroi 1 Esta gráfica revela en qué medida la calidad de vida de una sociedad concreta depende de la tasa de retorno energético (Fuente: «Energy, EROI and quality of life», de ScienceDirect).

Esta tasa está cimentada sobre dos conceptos que hemos manejado en varias ocasiones al departir de la fusión nuclear correcto a que relaciona la energía total que obtenemos a partir de una fuente y la energía que debemos modificar en el proceso para utilizar ese arbitrio. El EROI no es más que el cociente de estos dos títulos, por lo que lo ideal es que el resultado sea decano que uno, teniendo en cuenta que en el numerador colocamos la energía que obtenemos, y en el denominador la energía que invertimos. Un resultado decano que uno revela un arqueo energético positivo, poco que ya pudimos alcanzar con la fusión nuclear durante el intento llevado a angla en el JET en 1997.

El deuterio y el litio son dos principios muy abundantes en la naturaleza, que, por otra parte, podemos extraer del agua del mar

Posiblemente, cuando la fusión nuclear sea viable desde un punto de perspectiva comercial solo un puñado de países dispondrá de la tecnología necesaria para diseñar y construir los reactores de fusión. Sin confiscación, el combustible estará a disposición de un número muy amplio de naciones porque se extraerá mayoritariamente del agua del mar, lo que contribuirá decisivamente a democratizar la fusión nuclear, y, por consiguiente, a poner la energía a disposición de muchos más millones de personas que en la ahora.

Eroi 2 Estos dos gráficos circulares reflejan cuáles son las fuentes de energía más utilizadas por las personas que sobreviven en los países en vías de explicación con unos ingresos inferiores a los dos dólares al día (Fuente: IEA Analysis).

El deuterio es un isótopo del hidrógeno muy rico. De hecho, podemos encontrar 34 gramos en cada medida cúbico de agua de mar. Los océanos son incluso una fuente muy importante de litio, y, teniendo estos dos principios, la fusión ya es posible. Y lo es porque, aunque el tritio es muy escaso e inestable, en existencia necesitamos muy poco correcto a que podemos obtenerlo interiormente de la propia reacción de fusión, como hemos gastado.

La fusión nuclear es, sin duda alguna, uno de los mayores retos científicos y técnicos que la humanidad tiene por delante. Pero incluso es una de las mayores oportunidades a nuestro significación. La oportunidad de obtener la energía que necesitaremos en el futuro. La oportunidad de conseguirla respetando mucho más el medioambiente de lo que lo hacemos actualmente. Y la oportunidad de poner la energía a disposición de muchas más personas, y, así, de igualar oportunidades. Ojalá muchas otras innovaciones técnicas pudiesen permitirnos esbozar un sueño como este.

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