Energía nuclear

En la actualidad, hay dos fuentes distintas de energía nuclear. La primera, la fisión nuclear, utiliza la energía producida por la división de los grandes átomos de elementos como el torio, uranio y plutonio. La fisión es el método utilizado por las centrales nucleares actuales de todo el mundo. También impulsa los submarinos nucleares y está detrás de la potencia explosiva de las armas atómicas. La otra fuente de energía nuclear es la fusión del núcleo de elementos ligeros, como el hidrógeno y sus isótopos. Es la energía del sol y de la mayoría de las demás estrellas; todavía no se utiliza para producir energía de uso público pero sí aporta parte de la energía explosiva de la «bomba de hidrógeno». Suponiendo que los problemas de ingeniería no impidan construir plantas de fusión nuclear eficientes y prácticas, creo que éstas serán nuestras dos fuentes futuras de electricidad.

Energía de fusión
Cuando el hidrógeno arde, la llama es caliente y aporta la suficiente energía como para ser considerado un posible combustible para coches y otros vehículos. La energía de la combustión del hidrógeno procede del movimiento de un electrón en órbita alrededor del átomo de hidrógeno, entre éste y los electrones que rodean un átomo de oxígeno. Este movimiento del electrón genera una pequeña corriente eléctrica de una potencia de 0,82 voltios. Cuando incontables billones de átomos de hidrógeno queman en forma de llama, este flujo constante es lo que la mantiene caliente. Para que el hidrógeno y el oxígeno ardan, la mezcla tiene que calentarse a más de 500 °C, temperatura a la cual las moléculas del gas se mueven lo bastante rápido como para que se produzca un número determinado de colisiones que originen el calor suficiente como para que la reacción se sostenga por sí misma. Si pudiéramos calentar los átomos de hidrógeno por encima de 150 millones de grados, alcanzarían tales velocidades y sus colisiones serían tan violentas que algunos se fusionarían formando un átomo más pesado de helio. Ese proceso de fusión libera una enorme cantidad de energía, tanta como la que se produciría por el impacto de un electrón acelerado por un potencial de 21 millones de voltios. Eso quiere decir que la fusión nuclear de hidrógeno produce millones de veces más energía que su mera combustión. Pero para desencadenar esa potente reacción hace falta disponer de algún medio de calentar el hidrógeno a 150 millones de grados.
Lo mismo que muchos otros científicos de todo el mundo yo sabía que la energía de fusión nuclear, la combustión nuclear de hidrógeno, es una fuente de energía limpia e inagotable, ya que es alimentada por el sol y otras estrellas. La mayoría de nosotros, sin embargo, pensábamos que todavía faltaba mucho para que fuera una opción viable en la práctica. Parecía imposible que las condiciones del núcleo del sol, con temperaturas de más de cien millones de grados centígrados, pudieran recrearse en la Tierra a escala suficiente como para integrarlas dentro del proceso de una central nuclear.
Pero, en febrero de 2005, el director del Culham Science Centre, el profesor sir Cristopher Lewellyn Smith, nos invitó a Sandy y a mí a visitar su reactor Tokomak y a informarnos en persona de lo que habían averiguado al utilizarlo y qué perspectivas abrían sus experimentos para la energía de fusión. Nos asombró y encantó ver cómo su reactor de fusión mantenía encendida durante dos segundos una llama nuclear que quemó deuterio y tritio, isótopos del hidrógeno, generando dieciséis me-gavatios de potencia. Cierto que esa cantidad de energía fue sólo un 64 por ciento de la que se necesitó para encender la llama, pero el experimento demostraba que la física y la ingeniería en la que se basaba el proyecto era sólida y funcionaba según lo previsto. El reactor del Culham es un prototipo a partir del cual se puede diseñar una central nuclear de fusión piloto que sería el primer paso para la primera central de fusión nuclear comercial.
Como científico, me emocionó hallarme enfrente del gran receptáculo en forma de toroide dentro del cual se habían logrado temperaturas muy por encima de las que se dan en la parte más caliente del núcleo del sol y se habían mantenido durante un par de segundos. La temperatura a la que ardió la mezcla de isótopos de hidrógeno fue de 150 millones de grados, superior a los 100 millones de grados que se dan en el centro del sol. El sol, por supuesto, puede darse el lujo de arder a un ritmo más reposado.
El combustible usado en la energía de fusión, el deuterio, es ilimitado y accesible. Constituye el 0,016 por ciento del agua y es fácil de extraer. El segundo combustible utilizado, el tritio, un isótopo radiactivo del hidrógeno, debe ser manufacturado. En el extraño mundo de la energía nuclear, el tritio es producido por el reactor de fusión durante su funcionamiento. Cuando los dos isótopos de hidrógeno se fusionan, generan energía en forma de dos partículas energéticas, una es un átomo de helio con tres millones de voltios de electrones y el otro un neutrón con catorce millones de voltios de energía. La energía cinética del átomo de helio aporta el calor que mantiene la llama de plasma caliente, y los neutrones descargan su enorme energía cinética en las paredes del reactor, donde se convierte en calor. En un reactor futuro, el calor del flujo de neutrones aportaría la energía termal que necesitan las turbinas de gas o vapor para producir electricidad. Ese flujo también podría aportar una fuente constante de combustible de tritio mediante su reacción con un isótopo de litio incorporado en las paredes del reactor.
Los residuos que genera un reactor nuclear de fusión consis ten en helio, que es un gas inofensivo y no radiactivo, con lo que no se produce ningún tipo de residuo nuclear radiactivo a largo plazo. Las partes metálicas del reactor se volverían medianamente radiactivas a causa del flujo de neutrones, pero procesarlas tras su vida útil supondría un problema menor.