La promesa (eterna) de la energía de fusión

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Fuente: Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy, Public domain, via Wikimedia Commons.

En la entrada de esta semana vamos a centrarnos en uno de los problemas que han condicionado enormemente el devenir de la humanidad: la obtención de energía. En particular, dada la profusión de noticias a este respecto se vienen dando desde diciembre del pasado año 2022, a raíz de los resultados de un experimento que se llevó a cabo en una instalación militar de EE.UU. (el National Ignition Facility), se abordará la promesa de una energía ilimitada y limpia que supone supuestamente la fusión nuclear.

FICHA TÉCNICA

Objetivo: Al final de esta técnica el alumnado:

  • Comprenderá por qué la energía procedente de la fusión nuclear no es ya una realidad.
  • Entenderá los límites materiales a la generación de energía y su uso, utilizando el caso de la fusión nuclear como ejemplo.

Etapa: Bachillerato.

Materias: Física y Química, Física, Biología, Geología y Ciencias Ambientales.

Temporalización: 2-3 clases.

DESARROLLO DE LA TÉCNICA

En un primer momento, para el desarrollo de esta técnica, necesitaremos haber abordado previamente en clase los fundamentos teóricos de la fisión y la fusión nuclear, estableciendo las principales diferencias entre estos dos modos de obtención de energía, por ejemplo, mediante una tabla de diferencias.

A partir de esta tabla de diferencias, procederemos a pautar temporalmente los siguientes puntos:

a) Problemas e inconvenientes de la generación de energía eléctrica mediante centrales nucleares

Para iniciar, comenzaremos con una lluvia de ideas sobre las ventajas e inconvenientes de las energías de fisión y fusión nuclear, que dejaremos escritas sobre la pizarra para usarlos posteriormente.

La idea es que se centren no sólo en las ventajas e inconvenientes puramente técnicos (por ejemplo: desarrollo de tecnología adecuada para su manejo) sino que aparezcan también los que tienen que ver con aspectos sociales (por ejemplo: armamento nuclear, inmenso gasto público) o ambientales (por ejemplo: residuos nucleares, contaminación, etc.).

b) El logro de la ganancia neta de energía

Para centrar el problema, los alumnos leerán (en orden) dos noticias aparecidas en el Boletín del Servicio de Información y Noticias Científicas (SINC), de la Fundación Española de Ciencia y Tecnología (FECYT), que pertenece al Ministerio de Ciencia e Innovación. Ambas tratan el supuesto logro que el denominado National Ignition Facility (NIF) del gobierno norteamericano habría logrado.

EEUU anuncia un “gran avance” hacia el objetivo de la energía de fusión nuclear

Cautela ante las noticias sobre los logros en fusión nuclear

Se harán dos grupos de trabajo. En el primero se hará una recopilación de los principales logros que se mencionan en los dos artículos; en el segundo las cautelas de las que se habla en el segundo artículo, tratando de responder a las siguientes preguntas:

  • ¿En qué medida es cierto que se ha logrado producir más energía de la consumida en el proceso?
  • ¿Cuáles son los problemas que los autores de los artículos ven en la energía nuclear de fusión?
  • ¿Qué problemas no mencionan en su análisis de lo que ha pasado? Utiliza, al menos, tu lista de desventajas, elaborada al inicio.

c) ¿Cuánta energía se ha producido en el experimento de EEUU?

A veces es difícil entender qué significan los valores de energía. Vamos a hacer un sencillo cálculo para entender cuánta energía realmente es la que se ha generado (3 MJ) a partir de todo ese consumo (300 MJ, sólo para alimentar el láser). Para ello calcularemos cuánta agua podríamos hervir con los 3 MJ obtenidos en el experimento del laboratorio norteamericano, partiendo de una olla de agua con una temperatura media de 20 ºC (puedes probar con distintas temperaturas).

Solución:

La expresión que relaciona la cantidad de calor que intercambia una masa m de una cierta sustancia (en este caso, agua) con la variación de temperatura Δt que experimenta (el paso de 20 a 100 ºC, en este caso) es:

Nuestros datos son los siguientes (en el problema sólo nos dan cuánto ha sido la energía obtenida, el resto son constantes que deberían conocer, como el poder calorífico del agua, la densidad del agua o la equivalencia entre calorías y julios):

Q = 3 MJ * (1 cal/0,0000041868 MJ) = 716.537 cal.

ΔT = 100 ºC -20 ºC = 80 ºC.

Ce (agua) = 1 cal/g * ºC.

Densidad del agua (20 ºC) ≈ 1 kg/dm3 = 1.000 g/L.

Despejando y sustituyendo en la expresión anterior, tendríamos que:

Si 1.000 g equivalen a 1 L, entonces 8.956,7 g equivaldrán aproximadamente a 9 L de agua. Por lo tanto, la energía producida por el reactor de fusión equivale a hervir los 9 L de agua que cabrían en una olla a presión de las que tenemos en casa.

d) ¿Ha valido la pena?

Para entender si ha valido la pena, habría que valorar muchas cosas, no sólo la propia generación de energía. Entre ellas, el coste material y energético del “logro”, así como su coste monetario. Se presentan algunos datos, como ejemplo, a continuación. 

Es difícil entender del todo el coste material y energético real de algo así, pero en el propio sitio web de la NIF señalan que la instalación tiene el tamaño de tres campos de fútbol americano. Es decir, para este “avance” técnico se ha necesitado construir una instalación del tamaño de tres campos de fútbol (aunque no todo sea directamente la instalación donde se produce el experimento), con el consumo de materiales y energía necesarios. Más información sobre la instalación, en su sitio web. Y el laboratorio estadounidense no es una excepción en este campo. Por ejemplo, según los datos disponibles en su propio sitio web, el ITER, el reactor que intenta conseguir lo mismo en suelo europeo, tiene un peso total de unas 400.000 toneladas de materiales, y ocupa una superficie equivalente, siempre según los mismos datos, a 60 campos de fútbol.

Por otra parte, se nos dice que vamos a obtener una energía ilimitada prácticamente de la nada, pero en realidad para alimentar un reactor de fusión como los que se están diseñando, necesitamos deuterio y tritio, isótopos del hidrógeno. El Deuterio se produce a partir del agua pesada, y existen diversas plantas de producción a nivel mundial. Sin embargo, aunque el tritio se produce en la atmósfera por efecto de los rayos cósmicos, su vida media es baja (12,3 años), de tal modo que existe en baja cantidad. El método para su producción parte del litio, un componente indispensable de las baterías que almacenan electricidad, mediante el uso de reactores de fisión, con el consiguiente consumo de energía asociado. Una central convencional de fisión actual es capaz de producir 2-3 kilogramos de tritio anuales a unos 30 millones de dólares el kilogramo (según la revista Science).

Por otro lado, en el 2021, la profesora Rachel Margraf, de la Universidad de Stanford (EEUU), publicó un estudio del gasto realizado en EEUU para la fusión nuclear desde sus inicios en 1954 hasta el pasado año 2021 (68 años, incluyendo ambos). Según los datos de esta Universidad, sólo EEUU habría invertido más de 36.000 millones de dólares, aproximadamente, sumando lo que se ha invertido en instalaciones propias de EEUU, incluido el NIF, con lo que EEUU ha invertido en la instalación internacional ITER (más del 50 %, el resto lo financia la Unión Europea). Todo eso sin contar con la financiación privada ni con la financiación invertida por otros actores (Unión Europea, Corea, China, etc.).

Fuente: Rachel Margraf (2021).

Como actividad, se trataría de leer este texto, consultar de modo libre los sitios y el material sugerido, y volver a reunir a los dos grupos, reconsiderando la lista de ventajas e inconvenientes realizada al inicio.

e) ¿Energía infinita y limpia?

Con la fusión se pretende obtener una fuente de energía prácticamente infinita (en tiempos humanos) y limpia en relación con el cambio climático (que no emita gases de efecto invernadero). Sin embargo, la idea de una fuente de energía infinita y limpia es contradictoria con respecto a lo que sabemos de la Termodinámica, de la Geología o de la Biología.

Tom Murphy, profesor de física de la Universidad de California, San Diego, hizo algunos cálculos sólo para divertirse (ya veis en qué se divierten los profesores de física) y apoyar la idea de que esto es imposible utilizando el argumento de la “reducción al absurdo”, que se pueden consultar en su blog y en el primer capítulo de un libro gratuito que podéis encontrar en internet (se titula Energía y ambiciones humanas en un planeta finito). Para realizarlos, tomó una serie de asunciones, más o menos disparatadas, según sus propias palabras. Sus cálculos asumen que disponemos de una fuente de energía infinita (sin restricciones técnicas, ni problemas sociales, económicos o ambientales asociados a su uso) y que, despreocupados del asunto energético, el crecimiento en el uso de la energía por parte del ser humano se mantiene ligeramente por debajo de los niveles actuales (un 2,3 % frente al 2,9 % de crecimiento que él calcula que se ha ido teniendo en los últimos tiempos). Teniendo en cuenta la obstinada Primera Ley de la Termodinámica (la energía no se pierde, sino que se disipa en forma de calor), en algo más de 400 años habríamos puesto a hervir los océanos del planeta. Esto sucedería incluso si sólo usamos (al 100 % de eficiencia, imposible en el mundo en el que vivimos, otra vez la Termodinámica, esta vez la Segunda Ley) la energía que llega del Sol (considerando sólo la que impacta directamente en la Tierra, y sin preocuparnos de que esa energía solar que capturaríamos en su totalidad, dejaría de dar soporte al clima y a los ecosistemas, mediante la fotosíntesis).

Sobre la base de esta información, y de lo que sabéis sobre la fusión y la fisión nuclear, se trataría de responder a las siguientes preguntas en modo de reflexión y discusión en grupo:

  • ¿Es verdaderamente posible disponer de energía infinita?
  • ¿Sería deseable un escenario como ese? ¿qué implicaciones podría tener?
  • ¿Qué sería imprescindible hacer ante el dilema que supone la necesidad de energía y de desconectarnos de las energías fósiles: ¿buscar nuevas formas de energía para seguir consumiendo lo mismo, reducir el consumo de energía o ambas cosas? ¿qué tipo de energías son las que necesitamos?

Recursos para profundizar