Fusión nuclear

[Fleischman]

y otro:

https://www.rankia.com/blog/game-over/5651401-energia-nuclear-fusion

Energía nuclear de (con)fusión
Autor
Knownuthing
20/12/2022
¿Está la energía de fusión a la vuelta de la esquina? Va a ser que no.
1. Introducción

El 13 de diciembre de 2022, en un acontecimiento emitido en directo por el Departamento de Energía de los EEUU, se anunciaba al mundo entero que por primera vez los científicos de la National Ignition Facility que pertenece al Lawrence Livermore National Laboratory de California habían conseguido una ganancia neta de energía de fusión.

Para quien no sepa mucho del tema, El Mundo tiene un informe gráfico bastante claro: "El hito de la fusión nuclear, explicado para quien no sabe nada de física".

El método utilizado por este laboratorio es el de fusión por confinamiento inercial (ICF) mediante láseres (figura 1). En en este último experimento los potentes láseres suministraron 2,05 megajulios de energía a un muy pequeño contenedor con 10 miligramos de tritio y deuterio (isótopos de hidrógeno). El estallido del contenedor al vaporizarse comprime y calienta el contenido hasta que una parte del hidrógeno se fusiona formando hélio, liberando en este caso 3,15 megajulios de energía. El coeficiente energético en el plasma Q(p) es de 1,54 siendo la primera vez que se supera la unidad, es decir más energía producida que suministrada.

Figura 1. Esquema de las fases del confinamiento inercial utilizando láseres. Las flechas azules representan la radiación; las naranjas el estallido; las amarillas son la energía térmica transportada hacia el interior. Los rayos láser o los rayos X producidos por láser calientan rápidamente la superficie del blanco de fusión, formando una envoltura de plasma circundante. El combustible se comprime por el estallido del material caliente de la superficie. Durante la parte final de la implosión de la cápsula, el núcleo de combustible alcanza 20 veces la densidad del plomo y se inflama a 100.000.000 ˚C. La combustión termonuclear se propaga rápidamente a través del combustible comprimido, produciendo muchas veces la energía de entrada. Fuente: Wikipedia.
Figura 1. Esquema de las fases del confinamiento inercial utilizando láseres. Las flechas azules representan la radiación; las naranjas el estallido; las amarillas son la energía térmica transportada hacia el interior. Los rayos láser o los rayos X producidos por láser calientan rápidamente la superficie del blanco de fusión, formando una envoltura de plasma circundante. El combustible se comprime por el estallido del material caliente de la superficie. Durante la parte final de la implosión de la cápsula, el núcleo de combustible alcanza 20 veces la densidad del plomo y se inflama a 100.000.000 ˚C. La combustión termonuclear se propaga rápidamente a través del combustible comprimido, produciendo muchas veces la energía de entrada. Fuente: Wikipedia.

No hay que minimizar lo que sin lugar a dudas es un gran logro. Los primeros experimentos en fusión nuclear tuvieron lugar en 1958 con el Stellarator norteamericano y el Tokamak soviético. Sólo les ha llevado 64 años llegar a producir más energía de la que consume. La energía neta obtenida en el experimento es la misma que produce el quemar 38 gramos de carbón con un coste aproximado de un céntimo de euro.
2. ¿Cuánto ha costado llegar hasta aquí?

La financiación pública de EEUU en energía de fusión ha sido hasta la fecha de 36.600 millones de dólares (figura 2). Si asumimos que EEUU invierte el 60 % del total mundial podemos estimar la financiación pública global en 61.000 millones de dólares. El reactor experimental termonuclear internacional (ITER) gasta 2.000 millones de dólares cada año, ya ha multiplicado por cuatro su presupuesto y ha retrasado 15 años su primer encendido de plasma, de 2020 a 2035. La financiación privada es mucho menor, pero va creciendo. Bloomberg informa de 4.000 millones de dólares invertidos en 35 proyectos. Es razonable suponer que el total mundial supere ya los 70.000 millones de dólares.

Figura 2. Inversión de EEUU en energía de fusión desde 1954 en millones de dólares al año, ajustados por la inflación. La curva azul es el total, la roja la contribución al ITER, y la verde la inversión total menos la contribución al ITER. Fuente: Datos públicos elaborados en un trabajo de la Universidad de Stanford.
Figura 2. Inversión de EEUU en energía de fusión desde 1954 en millones de dólares al año, ajustados por la inflación. La curva azul es el total, la roja la contribución al ITER, y la verde la inversión total menos la contribución al ITER. Fuente: Datos públicos elaborados en un trabajo de la Universidad de Stanford.

Por lo tanto llegar a producir la energía de 38 gramos de carbón mediante fusión nuclear ha costado 64 años y unos 70.000 millones de dólares.
3. Un error interesado

Sabine Hossenfelder es una física alemana del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt especializada en gravedad cuántica. Ya tuve ocasión de hablar de ella en el artículo de los "Rendimientos decrecientes y costes crecientes en una ciencia menguante".

En un video en Youtube, Hossenfelder explica como los científicos que trabajan en energía de fusión mantienen una confusión interesada con respecto a la energía que se produce en un reactor de fusión, denominada Q, el cociente entre la energía que sale y la que entra y que cuando es mayor que 1 implica una ganancia de energía. El ITER pretendía producir 500 MW en 2025 (ahora 2035), a partir de 50 MW suministrados, o una Q de 10.

Esto hace que la gente crea que estamos cerca de producir electricidad de fusión, algo completamente falso. Por ejemplo, El Confidencial dice:
"El hecho de que se hayan producido 0,4 megajulios es un logro radical en esta carrera por obtener la energía infinita que hará que el mundo deje de depender de la especulación de la OPEP y las eléctricas, abaratando la energía para toda la humanidad y liberándonos de las emisiones de CO2 que afectan gravemente a todo el planeta".

Es difícil decir tantas tonterías en tan pocas palabras.

Hossenfelder explica que la fusión se consigue aumentando la temperatura y presión de un gas hasta que se convierte en un plasma contenido magnéticamente o inercialmente mediante láseres. La confusión que encontramos en la mayoría de los artículos sobre fusión es que la energía a que se refiere es al cociente de la que entra en el plasma y la que sale del plasma Q(p), pero si queremos construir un reactor, la que importa es la energía total que consume el reactor frente a la que produce, o sea el cociente total Q(t). El problema es que los reactores consumen muchísima energía que no va a parar al plasma, por lo que Q(p) es mucho mayor que Q(t). Tanto los láseres como la contención magnética y el mantenimiento del vacío necesario consumen muchísima energía. La otra cosa que casi nunca nos cuentan es que para producir energía utilizable el calor producido por la fusión hay que convertirlo en electricidad. Hossenfelder es optimista al citar un 50 % de factor de conversión. Un 40 % es más realista.

Tanto equívoco con algo tan sencillo e importante solo puede ser intencionado. Ya en 1988 un informe del Comité de Asesoramiento de las Opciones Científicas y Tecnológicas del Parlamento Europeo advertía que el uso del término equilibrio energético solo en el plasma estaba abierto a confusión y que debería usarse para el sistema completo porque es lo que permitiría usar la fusión como fuente de energía. El peligro de no hacerlo así podría llevar a perseguir objetivos erróneos y en el peor de los casos a un enorme desperdicio de recursos en un programa que no sea científicamente factible.

El resultado ha sido gastar decenas de miles de millones de dólares en aumentar el parámetro erróneo Q(p) en vez de Q(t). Los científicos de fusión nuclear engañaron a la Unión Europea diciéndole al comisionado de energía en 2002 que pretendían construir un reactor de fusión capaz de producir energía a escala industrial de 1.500 MW a partir de una potencia suministrada de 500 MW. No le explicaron que los 1.500 MW de potencia térmica se traducirían en 600 MW de electricidad, es decir el reactor solo produciría 100 MW netos. Y tampoco le dijeron que ya en 2001 el proyecto se había reducido en potencia de salida a un tercio, 500 MW, por lo que el reactor una vez en funcionamiento y si todo va bien, en vez de producir energía consumirá 300 MW netos. Una forma extremadamente cara de gastar energía.

El ITER consumirá energía incluso cuando no la esté produciendo, pero imaginando que está siempre funcionando y gasta 500 MW para producir 200 MW, su Q(t) = 0,4. Es 25 veces menos que el factor de 10 que normalmente se cita.

Con respecto al hito histórico de la National Ignition Facility en la que la Q(p) es de 1,54, los láseres consumen 100 veces más energía de la que transmiten al plasma (300 MJ), y convertir los 3,15 MJ de salida en electricidad los reduciría a 1.26. Su Q(t) es de tan solo 0,004, muy lejos del 1 necesario para que no sea un sumidero de energía en vez de una fuente.

Hossenfelder pone varios ejemplos sangrantes de cómo los científicos que trabajan en esto, y lo saben perfectamente, mienten al público y a los políticos encargados de aprobar los presupuestos sobre la capacidad de crear energía en estos experimentos. Hacen creer a la gente que hablan de Q(t) cuando en realidad hablan de Q(p), creando falsas expectativas sobre la capacidad de la energía de fusión para resolver los problemas energéticos del mundo. Hossenfelder concluye con un llamamiento a que termine la desinformación intencionada sobre la energía de fusión.
4. No habrá NUNCA una producción comercial de electricidad procedente de fusión nuclear

Hace más de 60 años que se dice que la energía de fusión está a tan solo 30 años de ser una realidad y está claro que, pese al anuncio del 12 de diciembre de 2022, dentro de 30 años seguirá sin ser una realidad.

Lo que se ha conseguido en 60 años es la parte fácil del problema, comprimir y calentar el gas hasta iniciar la fusión. Con la parte difícil ni siquiera se ha empezado. El premio Nobel Pierre-Gilles de Gennes dijo de la fusión nuclear: "Decimos que vamos a poner el sol dentro de una caja. La idea es bonita. El problema es que no sabemos como hacer la caja".

Para empezar no existe el combustible que necesita un reactor de fusión. No hay tritio ni para una planta piloto. Una central nuclear de fisión puede fabricar dos a tres kilogramos de tritio al año a un coste de unos 100 millones de dólares el kilo, y una central nuclear de fusión consumiría un kilo cada semana. La central de fusión tiene que generar su propio tritio y para ello debe aprovechar cada neutrón que se genera en una cascada de reacciones que comienza con el litio, un elemento no muy abundante y necesario para las baterías, que debería estar en la camisa del reactor. El tritio debe ser recolectado y realimentado al plasma con una eficiencia cercana al 100 % para evitar que la reacción tenga un déficit y el reactor se pare.

Además la camisa debe soportar unas temperaturas altísimas y mantener el vacío al tiempo que es bombardeada por neutrones de alta energía que cuando impactan con el núcleo de un átomo lo desplazan. Bajo esas condiciones los materiales se vuelven radiactivos y los metales se vuelven quebradizos, apareciendo grietas que hacen el mantenimiento del vacío una quimera. No existen materiales capaces de soportar esas condiciones.

Incluso aunque se solucionaran todos los problemas, una central de fusión tendría un coste altísimo, varias veces el coste de una central de fisión, y tendría también unos gastos de operación muy altos, incluyendo mantenimiento remoto para asegurar la integridad del vacío. Necesitaría estar en funcionamiento el 90 % del tiempo, lo cual es un tremendo problema a dos niveles, dado el nivel de mantenimiento tan alto que requeriría, y dado que las reacciones de fusión que se han conseguido han sido durante una fracción de segundo y el objetivo del ITER es llegar a decenas de segundos.

Por todo ello y muchos más problemas que aparecerán en el camino, como lo han hecho en los últimos 60 años, la fusión nuclear nunca llegará a desarrollarse como una fuente de energía viable. Por si fuera poco, el pico de petróleo que ha tenido lugar en 2018 hará imposible en pocas décadas reunir los recursos y la inversión necesarios para continuar el esfuerzo de investigación al nivel requerido para proseguir la investigación a la velocidad de caracol a la que avanza.