Un nuevo estudio europeo que analizó la posibilidad de producir energía de fusión como la del Sol llegó a la conclusión de que es factible en términos de costos, seguridad y no contaminación. Científicos alemanes han llegado al punto clave con la exitosa finalización de la fase de construcción de un reactor de fusión. Podría llegar a producirse electricidad a un costo similar al de otras tecnologías.

(25/07/06 – CyTA–Instituto Leloir. Por Alejandro Manrique) – Toda la energía que recibimos del Sol es generada en su centro por reacciones de fusión que están “quemando” el hidrógeno, su principal componente, y lo convierten en helio y otros elementos más pesados. El objetivo de la investigación de la fusión es reproducir, en una central sobre la Tierra, la forma en que el Sol genera esa energía.

En nuestro planeta, el combustible posible de usar para un proceso similar es un gas ionizado o plasma de baja densidad, compuesto por los dos isótopos del hidrógeno: deuterio y tritio. Este combustible se confina en un campo magnético y se calienta para iniciar el fuego de la fusión. Cuando la temperatura sobrepasa los 100 millones de grados, el plasma comienza a quemarse y los núcleos de hidrógeno se funden para formar helio, liberando neutrones y grandes cantidades de energía.

El “Estudio Conceptual Europeo para Plantas de Energía de Fusión” (PPCS, de acuerdo a sus siglas en inglés), que se completó este año, investigó la factibilidad técnica de obtener energía de fusión, así como las especificaciones ambientales y de seguridad que habría que tener en cuenta, y el costo que tendría una futura planta de ese tipo.

El estudio explora cuatro conceptos diferentes de plantas de energía de fusión, que tienen una potencia de alrededor de 1500 MW (Megawatts). Para cubrir el amplio espectro de posibilidades técnicas, cada uno de los modelos se basa en los diversos estados de la actual física del plasma y la tecnología que puede alcanzarse en el futuro.

El análisis de las propiedades ecológicas y económicas de los modelos confirmó resultados favorables de estudios anteriores. Según parece, los accidentes con severo impacto sobre el ambiente en una planta de energía de fusión son prácticamente imposibles y el almacenamiento de residuos nucleares no es necesario si se hace un adecuado reciclado. Además, los precios de la electricidad serán equivalentes a aquellos provenientes de tecnologías generadoras de energía que son respetuosas del medio ambiente.

Los modelos en estudio

Los modelos A y B son los más factibles de llevar a la práctica. Se asume que el comportamiento del plasma, como por ejemplo su estabilidad, sería un 30% mejor que las cautas estimaciones para el reactor de prueba correspondiente al proyecto internacional ITER de 500 MW de potencia.

El proyecto ITER tiene como meta construir un dispositivo de fusión de un tamaño dos veces los actuales y demostrar la posibilidad de lograr la energía de fusión. Es un plan conjunto entre la Unión Europea, China, India, Japón, Corea del Sur, la Federación Rusa y los Estados Unidos. Será construido en Cadarache, en el sur de Francia, y se espera que el reactor de fusión comience a operar en el año 2016.

En forma distinta al ITER, el material de construcción del nuevo estudio es acero de baja activación que actualmente se investiga en el Programa de Fusión Europeo. Las grandes diferencias estriban en los componentes técnicos de la planta de energía, tales como la “cubierta” o capa de protección del contenedor del plasma, que desacelera los veloces neutrones que resultan del proceso de fusión. Estos neutrones transfieren la totalidad de su energía cinética a un refrigerante en forma de calor y también producen tritio como componente del combustible a partir del litio.

Para cumplir estos objetivos, el modelo A está previsto con una cubierta de metal líquido, una mezcla de litio y plomo para la producción de tritio, mientras que el calor de fusión se absorbe y transfiere con agua. En contraste, el modelo B se proyecta con una cubierta llena de fragmentos de cerámica de litio y berilio. El refrigerante de helio elegido aquí permite mayores temperaturas que con el agua, hasta unos 500º C en vez de 300º C, y por lo tanto una mayor eficiencia para la consecuente producción de energía. Las dos cubiertas se están desarrollando dentro del Programa de Fusión Europeo, mientras que las versiones de prueba se investigan en el proyecto ITER.

No tan factibles como los modelos A y B, el más lejano modelo C y el futurístico modelo D están basados en los avances que se llevan a cabo actualmente en la física del plasma.

Los estados del plasma mejorados se combinan con cubiertas conceptuales más potentes, pero que ya están siendo desarrolladas en Europa. En la cubierta refrigerante doble del modelo C, la primera pared es enfriada con helio y la mayor parte del calor generado se transporta a un intercambiador de calor mediante la circulación del metal líquido, que es aislado de la estructura por medio de inserciones de carburo de silicio, material refractario al calor.

La temperatura más alta del refrigerante, cerca de unos 700º C, permite una conversión más eficiente del calor de fusión en electricidad. Aún más avanzado es en el modelo C el uso de una cubierta auto-refrigerante, con temperaturas de hasta 1100º C, que se emplearía tanto para refrigerante como en la producción de tritio.

Seguridad, desechos y costos

Las consideraciones de seguridad apuntan principalmente al tritio radioactivo y a los neutrones de alta energía que activan las paredes del contenedor del plasma.

Las consecuencias de todos los accidentes serios potenciales fueron aclaradas en el estudio, al analizar con gran detalle los modelos A y B, que serían los más cercanos a su realización. Se asume que la repentina y total falla del sistema de refrigeración causaría un accidente y la planta de energía entonces sería abandonada a su propia suerte sin ninguna intervención, arrojando como resultado que las inestabilidades del plasma afectarán las condiciones de operación y el proceso de calentamiento se extinguirá inmediatamente. El calor residual en las paredes no sería suficiente para afectar seriamente a los componentes y ni siquiera derretirlos. La planta de energía no contiene ninguna otra fuente de energía que pudiera destruir su contenido y por lo tanto permanecerá siempre intacta.

También se investigó cuánto tritio y material activado podrían ser liberados por el incremento de temperatura y escaparían de la planta. La exposición radiactiva resultante en el perímetro de la planta fue determinada para las condiciones climáticas más adversas.

Los modelos A y B arrojan valores por debajo de uno o dos órdenes de magnitud de la dosis para la cual se necesita la evacuación de los habitantes en las vecindades de la planta de energía. Esto mismo se aplica al modelo C, mientras que los valores para el modelo D son aún mucho más bajos. En ese aspecto, el nuevo estudio refuerza las aparentemente satisfactorias propiedades de seguridad que han sido halladas en investigaciones previas.

En cuanto a los desechos generados, se estableció que el material activado por los neutrones de fusión pierde rápidamente su radioactividad en los cuatro modelos. En el término de 100 años, la radioactividad cae hasta una diezmilésima parte de su valor inicial. En el modelo B, por ejemplo, casi la mitad del material dejaría de ser radioactivo 100 años luego del cierre de la planta y podría ser destinado a otro uso. La otra mitad podría –con el advenimiento de la tecnología apropiada- ser reciclada en nuevas plantas de energía, lo que haría innecesario el almacenamiento permanente de los desechos.

Desde el modelo A hasta el D, existe un incremento en la eficiencia en la cual la energía de fusión varía con la cubierta y la temperatura creciente del refrigerante, y por lo tanto la eficiencia de la producción de energía. Además, el volumen de plasma generado disminuye del modelo A hasta el D a casi la mitad para la misma potencia generada, lo que hace que las plantas puedan ser más compactas.

Se esperan diferentes precios en la electricidad con los cuatro modelos de plantas de energía: el modelo A es el de mayor costo de electricidad, seguido de los modelos B y C, mientras que el refinado modelo D implicará el menor costo. Sin embargo, B y C serían competitivos con costos de producción de energía de 5 y 10 centavos (de euros) por kilowatt-hora.

Reactor alemán

La primera gran etapa de producción para el experimento de fusión “Wendelstein 7-X”, la construcción de la cámara de plasma, ha sido completada con el ensamblaje de unos 20 sectores del contenedor de 35 toneladas.

La instalación de la totalidad del dispositivo, que comenzó en 2005 en la división Greifswald del Instituto Max Planck de Física del Plasma en Alemania, demandará cerca de seis años hasta el 2011, cuando se concretaría.

Wendelstein 7-X, que cuando sea completado será el dispositivo de fusión más grande de su tipo en el mundo, tiene el objetivo de investigar su aplicación para plantas de energía.

De esta forma, los científicos de Europa están cada vez más cerca de encender el fuego de la fusión nuclear y hacer disponible este tipo de energía para las crecientes necesidades del futuro.

Más información:

Estudios de Energía de Fusión (Unión Europea) – http://ec.europa.eu/research/energy/fu

Instituto Max-Planck para la Física del Plasma – www.ipp.mpg.de