La energía de fusión que (probablemente) nunca llegará

Hoy hemos visto en portada dos artículos relacionados con la experimentación en reactores de fusión: qvhumanitas.com/los-poderosos-destellos-del-sol-artificial-chino/, y www.iter.org/newsline/-/3169.

Y la cuestión es que, aunque nadie lo diga, no hay ninguna garantía teórica que confirme que sea posible que algún día un reactor de fusión pueda ser rentable energéticamente: es decir, que pueda ofrecer energía restante una vez descontada la que consume para funcionar. Así que todas esas tradicionales afirmaciones del tipo de "habrá que esperar aún 30 años" (afirmaciones que por cierto se llevan haciendo desde hace ya más de 70 años sin que jamás se cumplan) son: o bien puro marketing por parte del científico que busca más financiación pública, o simplemente pura ignorancia del periodista que escribe lo que otros le dicen sin tener ni idea.

Vamos a intentar explicar para el profano (de manera clara, pero aproximada y no rigurosa) qué es la fusión y por qué es tan complicado que algún día llegue a ser rentable.

La fusión nuclear.

Un átomo es básicamente un conjunto de electrones "orbitando" un denso núcleo central. Este núcleo del átomo está a su vez formado por un conjunto de protones y neutrones. Y en esencia todos los elementos de la tabla periódica son esta misma cosa, variando únicamente el número de protones y neutrones que contiene su núcleo.

Pues bien, el proceso de fusión (entendido en su sentido físico más usual), supone el hecho de que, dadas ciertas condiciones, es posible que dos núcleos atómicos lleguen a fusionarse (unirse o mezclarse) produciéndose en el proceso la transformación de un tipo de átomo en otro (al modificarse el número total de elementos en el núcleo, que como vimos es lo único que diferencia a los distintos elementos). Sin embargo esta fusión nuclear requiere de un aporte de energía (de un "empujón" de los núcleos a fusionar) ya que se debe superar un potencial natural que intenta evitar precisamente esta unión. Por lo tanto la fusión "fría" es un proceso que no se da naturalmente.

La fusión en las estrellas.

Pero en las estrellas la cosa cambia, puesto que en ellas ocurre que se dispone de un gigantesco potencial gravitatorio (siempre atractivo) dispuesto de manera natural. Este potencial supone la existencia espontánea de una fuerza proporcional a la cantidad de masa que "empuja y aplasta" centralmente los elementos presentes, de modo que en el centro de la estrella (donde la temperatura es mucho mayor) los electrones que "orbitan" los átomos adquieren sin problemas la energía necesaria como para abandonar su "ligamiento" con el núcleo, de modo que lo que resta son núcleos atómicos "sueltos" sin electrones fijos a su alrededor. A ese estado de la materia se lo conoce como plasma.

Pues bien, este plasma está tan caliente, y el potencial gravitatorio de la masa total de la estrella prensa con tanta fuerza los núcleos entre sí, que finalmente se activa de manera autónoma un proceso de fusión nuclear. Sencillamente decimos en este sentido que la energía necesaria para superar la "repulsión" natural a la fusión la ofrece de manera natural la gravedad de la propia estrella, siendo por lo tanto el colosal potencial gravitatorio el que permite los procesos de fusión en los cuerpos celestes ultra masivos.

Energía y fusión.

Cuando en una estrella dos núcleos se fusionan, el resultado final es la "desaparición" de los dos núcleos iniciales y la "aparición" de un núcleo final el cual contiene (ligado) la suma de protones y neutrones de los núcleos originales. Pero además el proceso libera una gran cantidad de energía. Es decir, que al final acabamos con un núcleo más "pesado" y con un remanente de energía libre extra. Esta energía suplementaria es, por cierto, la que ejerce una presión hacia fuera de la estrella, gracias a la cual se contrarresta la presión central hacia el interior que ejerce el potencial gravitatorio. Se produce así un balance o equilibrio que permite que las estrellas duren y "quemen" su combustible nuclear durante miles de millones de años en lugar de acabar todo rápidamente mediante una gran explosión (lo cual ocurre de hecho al final de la vida de ciertas estrellas -cuando ya no tienen más "combustible"- en lo que se conoce como supernova). Por cierto que una pequeña parte de esta energía excedente escapa de la estrella navegando hacia el espacio exterior, como ocurre por ejemplo con la energía Solar que baña nuestro planeta.

En resumen: que el proceso de fusión nuclear no procede a menos de que se "fuerce" a ello mediante el uso de un potencial energético externo. En el caso de las estrellas esta "fuerza" necesaria la otorga la gravedad.

Fusión en la Tierra.

Los científicos llevan ya casi 70 años pretendiendo imitar el comportamiento estelar en la superficie de nuestro planeta, mediante la pretendida creación de reactores de fusión nuclear. El resultado hasta la fecha, huelga decirlo, ha sido nefasto. Y lo es, en gran parte, porque aquí no disfrutamos del formidable potencial gravitatorio central que sirve de fuente energética natural para la fusión en las estrellas.

En estos astros, la gravedad no sólo funciona a modo de ignición (calentando y creando el plasma necesario para la fusión), sino que también actúa a modo de contenedor: es decir; que impide gracias a su atracción central que el plasma "escape" o de desintegre, favoreciendo y manteniendo automáticamente el proceso de fusión durante millones de años. Pero aquí en la Tierra no poseemos una fuerza natural central capaz de hacer todo esto, así pues debemos hacer uso (utilizar activamente) un potencial energético alternativo.

Sin embargo la ignición y contención del plasma ocurre a temperaturas capaces de derretir cualquier recipiente (sin importar de qué esté fabricado). Y puesto que no hay un contenedor material capaz de soportar estas temperaturas, no queda más remedio que contener el plasma separado (casi "levitando") de todos los demás componentes del reactor mediante el uso de técnicas electromagnéticas (imanes, superconductividad, etc), lo cual requiere del uso continuado y activo de una cantidad gigantesca de energía libre para mantener dicho proceso.

Pero debe quedar claro que, a diferencia de lo que ocurre en las estrellas, aquí NO disponemos de una fuente espontánea de energía que nos sirva al uso, y debemos por contra conseguir producir activamente energía libre para usarla en modo de contención y de ignición (para que el plasma no se enfríe). Y en este sentido es en el que no está para nada claro que la fusión sea rentable: i.e., que pueda ofrecer una energía neta positiva una vez descontada toda la que se consume en el propio proceso de ignición y contención.

Hay poco soporte teórico.

Hasta la fecha no hay un soporte teórico firme capaz de demostrar que es posible que la idea de crear reactores de fusión rentables sea viable. Al contrario, las leyes de la termodinámica parecen apuntar justo en la dirección opuesta. Y es que, como hemos comentado, en el caso de la Tierra necesitamos hacer uso activo de un flujo constante de energía libre que retroalimente al aparato de fusión para que no se apague o "reviente", pero las propias leyes termodinámicas avisan de que es imposible que tales "circuitos" de retroalimentación duren mucho tiempo a causa de la obligada pérdida de energía en forma de calor (aumento de entropía). Todo movimiento energético es "imperfecto" en el sentido de que por el camino siempre se pierde algo de energía útil de modo que la exergía disminuye siempre con el tiempo.

En el caso de un reactor terrestre, a parte del enorme coste energético inicial de calentar el plasma y activar los instrumentos contenedores (energía que hay que producir y transportar con una fuente alternativa como por ejemplo la fósil), luego tenemos que "reaprovechar" el excedente energético de la reacción de fusión en el plasma para mantener estable al propio plasma, lo cual supone "coger" parte de esa energía útil generada por la fusión, y "llevarla" (transportarla) a la maquinaria de contención e ignición, perdiéndose inevitablemente por el camino en cada ciclo energía en forma de un aumento de entropía.

Logros hasta la fecha.

Tras muchas décadas de investigación y cientos de miles de millones de euros gastados, no se ha logrado dar con un aparato electromagnético capaz de contener el plasma a un coste energético inferior al de producción. De hecho, hemos sido incapaces de mantener el ciclo de fusión ni siquiera durante segundos (sin importar en este caso el coste o la rentabilidad), mientras que este mismo proceso de fusión en las estrellas sutilmente acontece durante miles de millones de años sin problema alguno.

Evidentemente esto no dice mucho a favor de la viabilidad teórica de que existan mecanismos electromagnéticos viables capaces de imitar las condiciones estelares para producir una fusión continuada en un reactor. Por el contrario, es como decimos bastante probable que se trate de un Santo Grial inalcanzable bajo las circunstancias físicas terrestres.

Es más, lo que los resultados actuales (como los descritos en los artículos enlazados al principio) demuestran es simplemente la manera en que los científicos están mejorando estos carísimos aparatos buscando la máxima eficiencia de funcionamiento posible (batiéndose con el tiempo algún que otro "récord"), pero NADIE garantiza que la máxima eficiencia teórica (es decir, física) sea suficiente para producir más energía libre de la que consume en el proceso.

De hecho, el relativo "poco" avance logrado durante las últimas décadas parecen indicar que posiblemente estemos ya bastante cerca del posible límite natural para este tipo de aparatos (los cuales repitamos una vez más, están lejos no sólo de permitir un ciclo de fusión estable y continuado -que dure años y no milisegundos-, sino que todavía consumen mucha más energía de la que produce luego en la reacción dentro del plasma). A modo de símil, y para entender bien lo que estos "avances" podrían representar, sería algo similar a lo que ocurre, por ejemplo, con los atletas profesionales cuyos "récords" son cada vez más raros y de magnitud más pequeña conforme nos acercamos a los límites físicos de nuestro cuerpo. Probablemente la promesa de la "inagotable y limpia" fusión nuclear sea el equivalente a esperar que algún día un atleta haga los 100 metros lisos en 5 segundos (cosa que sencillamente es un logro imposible dadas nuestras circunstancias fisiológicas).

A modo de resumen concluir que muy posiblemente lo más cerca que vamos a estar de poder aprovechar de manera rentable la energía de la fusión nuclear sea mediante el uso de los paneles solares, en los cuales "recogemos" una parte (marginal) de la energía producida en el proceso de fusión acontecido en el Sol.