IFMIF-DONES, cuya primera piedra se pondrá este año, será crucial para el desarrollo de la energía de fusión, la misma que se da en el Sol y las estrellas. En esta instalación científica única se desarrollará el material con el que se construirán los reactores de fusión, necesarios para disponer de una fuente de energía limpia e inacabable, que cambiará la historia de la humanidad.
El ser humano necesita energía. Las sociedades que ha construido a lo largo de la historia, de una manera u otra, han estado condicionadas por el método de obtenerla. Tanto ha sido así que el cambio en la fuente ha significado una era nueva.
Actualmente se puede decir que nos encontramos abandonando la era del petróleo para adentrarnos en la de las energías renovables. Sí, en plural, las energías renovables, porque se necesita combinar varias fuentes para dar respuesta a una demanda que no deja de crecer. Pero, claro, vienen los problemas, porque si bien son limpias, no son gestionables, al menos las que se dominan hasta ahora. Es decir, no se tiene un botón mágico que active el Sol o el viento. Ante esa realidad toman fuerza alternativas sostenibles y gestionables como el hidrógeno, cuyo desarrollo está experimentando un salto cualitativo en los últimos años, para solventar los retos científicos y tecnológicos que impiden ponerlo en marcha. Pero hay otra todavía más espectacular: la energía de fusión.
Por qué ahora se habla tanto de la energía de fusión
Hace décadas se pensó que se podía reproducir en la Tierra el mismo método con el que el Sol y las estrellas generan su energía. Lo que se conoce como fusión nuclear. Aunque no se ha dejado de hablar de esta fuente energética renovable y limpia, porque a diferencia de las centrales nucleares que conocemos, basadas en la fisión, no genera residuos radiactivos, nunca antes la energía de fusión había estado tan de actualidad. Todo, porque el pasado diciembre, el Departamento de Energía de Estados Unidos anunció que el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore había conseguido más energía por fusión nuclear que la empleada para activarla. Suponía un hito histórico para la ciencia y así se anunció.
Algo más tarde comenzaron a matizarse los resultados y algunos especialistas recordaron que un año antes, en el reactor de fusión del experimento europeo Joint European Torus (JET), adscrito al programa europeo EUROfusion, lo había conseguido antes, incluso con resultados mucho mejores.
Independientemente de quién haya generado más energía o qué sistema para obtenerla es mejor, porque se han empleado técnicas diferentes, lo realmente importante es que se ha demostrado que se puede hacer fusión y que la fusión nuclear se presenta como una fuente energética extraordinaria. Pero está en una fase muy temprana, se podría decir que en pañales.
Cuáles son los retos para desarrollar la energía de fusión
El desarrollo de la energía de fusión plantea innumerables retos tecnológicos y científicos, cuyas respuestas se encuentran en la frontera del conocimiento. No se sabe cómo deben ser los reactores de fusión, tampoco cómo convertir esa energía en electricidad, pero eso son cuestiones más a posteriori. Para empezar, se desconoce el material adecuado del que tienen que estar hechos los reactores de fusión.
La respuesta a esta última cuestión la dará España, y más concretamente Granada, con la instalación IFMIF-DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility DEMO Oriented Neutron Source). Se trata de un acelerador de partículas que comenzará a construirse este año y se espera que esté operativo en 2033. Allí se probarán los materiales candidatos a formar parte de un reactor de fusión, materiales capaces de soportar unas condiciones extremas, de cientos de miles de grados.
Qué va a suponer IFMIF-DONES para la ciencia
No es exagerado decir que esta instalación va a suponer un antes y un después en la ciencia española, ya que se tratará de una infraestructura singular, única en el mundo, equiparable por su importancia al CERN, el mismo acelerador que hace unos años estaba en la boca de todo el mundo, porque allí se comprobó la existencia de la ‘partícula de dios’, que en su día teorizó Albert Einstein.
La construcción del complejo científico tiene un presupuesto cercano los 300 millones de euros, a lo que habrá que añadir otros 50 millones más al año para mantenerlo activo y movilizará del orden de mil personas, en su mayoría investigadores y personal científico. Estas cifras son suficientes para hacerse una idea del impacto tanto en Granada como en las provincias aledañas, tal y como en su día lo tuvieron instalaciones singulares de este mismo nivel, que transformaron el entorno económico y social de las regiones que los acogen.
Cómo se genera la energía de fusión
Antes de entrar de lleno en cómo va a ser IFMIF-DONES conviene saber algo más de la energía de fusión. Se dice de ella que es la energía del Sol y de las estrellas. Pero el proceso que se va a seguir en la Tierra no puede ser el mismo, más que nada, porque en los astros se produce muy lentamente y aquí abajo se tiene algo más de prisa.
“La energía en el Sol se genera al apretar dos átomos de hidrógeno lo suficiente para que se junten y se conviertan en un átomo de helio. Un átomo de helio pesa menos que los dos de hidrógeno, por lo que parte de esa masa que sobra se convierte en energía. Y eso es esencialmente el proceso. En el caso de lo que se quiere hacer en la Tierra, en vez de usar átomos de hidrógeno se emplean átomos de deuterio y de tritio, pero la reacción es la misma”, explica el director de IFMIF-DONES España, Ángel Ibarra.
Actualmente dos formas para generar la fusión nuclear. La empleada en Estados Unidos se conoce como fusión por confinamiento inercial, en la que se proyecta luz de láser en todas las dirección hasta calentar una pequeña bola de plasma de hidrógeno, hasta que implosiona. En Europa se apuesta por mantener esas bolas flotando mediante campos magnéticos y cuando están en el aire se les proyecta el calor hasta que chocan unas contra otras, y es en esos impactos en los que se genera la fusión. El método por el que ha apostado Europa es cierto que se libera menos energía, sin embargo se hace durante un tiempo más prolongado.
Cuál es el objetivo de IFMIF-DONES
“Uno de los problemas tecnológicos pendientes de resolver, tanto en una alternativa como en la otra, para convertir esa energía en electricidad es conocer con qué materiales se va a construir el reactor. El material que va a rodear es espacio donde se realiza la fusión va a estar sometido a unas condiciones extremas y no estamos seguros de cuál puede ser capaz de aguantar esas condiciones”, afirma Ángel Ibarra. Pues justamente, a aclarar esas incógnitas, que hoy representan uno de los mayores retos de la ciencia a nivel internacional, es a lo que se va a dedicar la instalación IFMIF-DONES que se construirá en Granada.
En este instrumento va a ser capaz de simular un entorno como el que habrá en un reactor de fusión, pero a una escala menor y sin que se lleguen a producir las reacciones de fusión. Un reto de primer nivel científico, para el que será necesario cruzar las fronteras del conocimiento e inventar instrumentos que por ahora no existen.
Qué se producirá en el interior del acelerador de partículas IFMIF-DONES
En la instalación de Granada se van a reproducir unas condiciones propias del interior de una estrella que de nuestro planeta, de ahí la complejidad de este instrumento. “Cuando se produce una reacción de fusión, que es lo que se va simular en Granada, se produce helio, pero también neutrones, que son unas partículas subatómicas. Esos neutrones salen disparados, se escapan del plasma que está a 150-200 millones de grados, y radian, golpean, a todos los materiales que forman ese túnel cerrado”, aclara el coordinador de la Oficina Técnica de IFMIF-DONES, José Aguilar.
Para simular este ambiente se necesita un acelerador de partículas único, construido exclusivamente para ese fin, como será la infraestructura que se levantará en Granada. Los aceleradores de partículas son más comunes de lo que se piensa. Los podemos encontrar, por ejemplo, en hospitales, en los departamentos de radiodiagnóstico, así como en centros de investigación, para hacer pruebas de todo tipo. Aunque, se podría decir, empleando el símil informático, que esos aceleradores son como de sobremesa, mientras que IFMIF-DONES sería el superordenador que ocupa varias estancias, con una potencia millones de veces superior.
Cómo funciona un acelerador de partículas
Lo que no queda muy claro para los no especialistas en física de partículas es el funcionamiento de un acelerador y, más concretamente, del que se construirá en Granada. Como explica el director de IFMIF-DONES España, el acelerador aportará energía las partículas que se encuentran en su interior, que en esta caso son deutrones, un isótopo del hidrógeno, y las lanza contra una cortina de litio fundido a 200 grados. Al chocar contra el metal fundido se descomponen y generan neutrones con unas características parecidas a los que habría en un reactor de fusión.
“Entonces ponemos los materiales en frente de esos neutrones a altas temperaturas y en vacío, de manera que los materiales se ven sometidos a unas condiciones parecidas a las que se encontrarían en un material de fusión”. Estas pruebas pondrán los materiales al límite, por lo que serán decisivas para conocer cuáles son los compuestos adecuados para construir un reactor de fusión.
En IFMIF-DONES se van a estudiar, por un lado, los materiales estructurales y los funcionales, entre ellos, los más críticos, como son los de primera capa, es decir, los que están más cercanos al plasma que debemos de crear para producir una reacción de fusión, ya se use la técnica del confinamiento inercial, que es la que se utilizó en Estados Unidos; como la de confinamiento magnético”, aclara José Aguilar.
Cómo será el acelerador de IFMIF-DONES
El acelerador de partículas de IFMIF-DONES va a ser de carácter lineal, porque el objetivo de los experimentos que se van a realizar en su interior radica en lanzar partículas contra un blanco determinado, en este caso, una cortina de litio en estado líquido. Esta forma lo diferencia radicalmente del CERN, que es de carácter circular, porque en la instalación de Suiza se busca determinar el origen de la materia, para lo que se hace circular las partículas a una gran velocidad para, en un momento determinando, cambiar el sentido de la marcha, para conseguir que las partículas choquen entre sí a altísimas velocidades.
“IFMIF-DONES no será el que más energía-velocidad le imprima a las partículas, en eso el CERN es casi un millón de veces más potente. La clave del de Granada reside en la cantidad de partículas que puede acelerar a la vez, y en ese sentido será el que más partículas acelere al mismo tiempo a esa energía”, añade el coordinador de la Oficina Técnica de IFMIF-DONES. Además, el blanco de litio del acelerador granadino será único en el mundo, porque nunca antes se ha construido un circuito cerrado de litio tan grande, que gestione hasta diez metros cúbicos de este metal.
Qué materiales se probarán en el acelerador de partículas de Granada
Por el momento no se conoce con qué material se fabricarán los reactores de fusión, pero sí hay algunos que reúnen las condiciones adecuadas y que se pondrán a prueba en el acelerador de partículas de Granada.
“Desde hace muchos años se trabaja en materiales que pensamos que podrían aguantar esas condiciones; se trata de aceros especiales, de cobres también especiales, de wolframio, óxido refractario, ventana de cuarzo… tenemos que probarlos, pero a priori pensamos que los aceros especiales pueden funcionar mejor”, aclara Ángel Ibarra.
Qué pasos se seguirán en el desarrollo de la energía de fusión
En la hoja de ruta de la producción de energía eléctrica mediante fusión por confinamiento magnético hay varios pasos que dar. El más cercado lo representa el reactor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), en el que están involucrados la Unión Europea, Estados Unidos, Rusia, Japón, China, India y Corea. Situado en Francia, su construcción se concluirá a finales de 2025 y será el mayor dispositivo por confinamiento magnético del mundo. Los trabajos con plasma de deuterio-tritio arrancarán en 2035, con los que se esperan ganancias de energía del mil por ciento, con una potencia de fusión de 500 megavatios. Este experimento no aportará electricidad, pero supondrá el primer escalón.
A continuación vendrá DEMO, un reactor de demostración de fusión en el que se prevén ganancias de energía del 2.500 por ciento con una potencia de fusión de 2.000 megavatios, de los que 300-500 megavatios se aportarán a la red. Se espera que comience a construirse en 2040 y que en 2050 esté completamente operativo. El trabajo de IFMIF-DONES, que comenzará a operar en 2033, será crucial, ya que aportará los materiales con los que se construirá el reactor DEMO.
Esto no quiere decir que con DEMO se detenga la investigación, todo lo contrario, ya que este reactor servirá para demostrar que se puede hacer fusión y que ésta se puede transformar en energía. Tendrán que venir mejoras, o incluso, rediseños del reactor, para dar con un modelo adecuado para la producción de energía mediante fusión.
Cuándo se podrá aprovechar la energía de fusión
“Quien esté vivo en la década de los 50 verá una máquina de fusión produciendo electricidad de forma continua. Ahora bien, eso no quiere decir que eso esté extendido por todos los países. Tendrá que pasar un tiempo más. Pero lo importante es que estamos poniendo la semilla para que eso pueda ser una realidad en el futuro”, afirma José Aguilar.
La instalación IFMIF-DONES va a generar oportunidades en otros muchos campos de la ciencia, no solamente en el de la energía e fusión. Por ejemplo, los neutrones que ‘sobren’ en las pruebas de materiales para el reactor se podrán emplear el desarrollo de nuevos instrumentos médicos para el radiodiagnóstico. De la misma manera, la ciencia de los materiales va a experimentar un avance sin precedentes y de las pruebas que se harán en el acelerador saldrán materiales con aplicaciones, por ejemplo, en los campos aeroespacial e industrial.
Y eso en el ámbito científico y tecnológico, porque en el social, IFMIF-DONES va a suponer todo un hito para Granada y su entorno. En esta instalación se concentrará una masa de científicos nunca antes vista en esta región. Investigadores que saldrán de la Universidad de Granada, gracias a programas de doctorado diseñados casi exclusivamente para dar respuesta a las necesidades del acelerador.
El propio consorcio IFMIF-DONES ya ha puesto en marcha lo que llaman ‘escuela de DONES’, con cursos específicos para la instalación. Además, servirá de foco de atracción de talento internacional. Y será solamente personal del ámbito científico y tecnológico, sino que también del campo jurídico, de la gestión, de la comunicación… necesarios para el funcionamiento de la instalación.
Cada vez está más claro el efecto transformador de IFMIF-DONES en el panorama científico internacional, porque se convertirá en la instalación científica que pasará a la historia como el lugar en el que se gestó el material que hizo posible la energía de fusión, un paradigma energético totalmente nuevo y con el que se abre una era nueva en la historia.
