Fusionar el futuro de la energía

Crédito de la imagen: © NNASA/CXC/INAF/Argiroffi, C. y otros/S. Wiessinger

Hubo una época en la que muchos analistas científicos consideraban que la fusión nuclear era ciencia ficción: “Todavía faltan treinta años para que esto sea posible y siempre será así”,[1] era algo que se escuchaba con frecuencia. Sin embargo, hay claros indicios de que la energía de fusión, lejos de ser una mera ficción, podría convertirse muy pronto en una realidad. Y, al hacerlo, contribuiría a transformar por completo la dependencia mundial de los combustibles fósiles.

Hoy en día, titulares en los medios de comunicación como “El mercado de la fusión nuclear podría llegar a valorarse en 40 billones de dólares”[2], de Bloomberg Intelligence, y “La fusión nuclear entra en una nueva era”[3], de Forbes, reflejan el creciente entusiasmo por la posibilidad de que esta fuente de energía sea finalmente viable para el uso cotidiano. Pero ¿qué es lo que ha cambiado realmente para que la opinión convencional haya dado tal giro? Y, lo que es más importante para la crisis climática y energética, ¿cuándo podría la energía de fusión convertirse en un componente aceptado de la combinación energética mundial?

© Cortesía del Instituto Tecnológico de Massachusetts (ITM) y el Plasma Science and Fusion Center del ITM.

¿Un potencial desaprovechado?

Las ventajas de la fusión son significativas, aunque por desgracia también lo son las barreras tecnológicas. Los avances en la última mitad de siglo han sido lentos y, sin embargo, han resultado alentadores.

En febrero de 2022, los investigadores de la instalación Joint European Torus (JET), gestionada por el Culham Centre for Fusion Energy en Oxfordshire (Reino Unido), anunciaron un nuevo récord para la fusión nuclear, después de generar con éxito 59 megajulios de energía, suficiente para hacer funcionar una bombilla de 60 vatios durante 11 días. Aunque la cantidad de energía producida no supone una gran revolución, el récord fue acogido como una señal de que la fusión, un proceso que promete una energía limpia e ilimitada, se está convirtiendo en una realidad. El récord anterior, también establecido por el JET, se consiguió 25 años atrás, cuando se generaron 22 megajulios de energía en 1997.

Mientras tanto, el reactor termonuclear experimental internacional (ITER) que se está construyendo en el sudeste de Francia, lleva ya 11 años en construcción y supera en decenas de miles de millones de dólares su presupuesto inicial de 6000 millones de USD. Su coste actual de construcción, de 22 000 millones de USD, corre a cargo de los gobiernos de dos tercios de la población mundial, entre ellos la UE, Estados Unidos, China y Rusia[4].

Por supuesto, hay otras muchas alternativas a la energía de combustibles fósiles, como la energía solar concentrada, la energía solar fotovoltaica, los parques eólicos terrestres y marítimos, la biomasa y la energía geotérmica, por nombrar algunas, que ya están contribuyendo de forma importante a la transición energética necesaria para lograr el objetivo de cero emisiones netas. Sin embargo, los posibles beneficios de la fusión nuclear siguen atrayendo a inversores de la talla de Jeff Bezos[5], Bill Gates[6] y JIMCO, la división de inversiones de la familia Jameel, que forma parte del prolongado compromiso de Abdul Latif Jameel con las formas de energía sostenibles, como la energía eólica y la energía solar.

Beneficios de la energía de fusión

Las emisiones de carbono, incluidos los gases de efecto invernadero (GEI), como el dióxido de carbono y el metano, son uno de los principales causantes del cambio climático del planeta. Cuanto mayor sea la acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera, más cálido se volverá el clima. Y a pesar de todos nuestros esfuerzos, la situación es cada vez peor. En 2021, la concentración media mundial de dióxido de carbono alcanzó un nuevo récord de 414,72 partes por millón[7].

Lo mejor de la fusión nuclear es que no hay emisiones de carbono. Y, a diferencia de la más conocida energía de fisión nuclear, los reactores de fusión no producen residuos nucleares de alta actividad y larga vida. La única activación radiactiva es la de los propios componentes del reactor de fusión y esta es lo suficientemente baja como para que los materiales puedan ser reciclados o reutilizados en menos de 100 años[8].

A diferencia de los combustibles de la fisión nuclear —los llamados “materiales fisionables”—, por ejemplo, el uranio o el plutonio, las materias primas que se utilizan en la fusión nuclear son abundantes, inofensivas (no son ni fisionables, ni fisibles, ni están enriquecidas de ningún modo), lo que significa que no hay riesgo de que se conviertan en instrumento armamentístico, y son mucho más fáciles de obtener. El deuterio puede extraerse del agua y el tritio se producirá en el interior de la central nuclear de fusión a partir del litio, un elemento que abunda en la corteza terrestre y el agua de mar.

El proceso también es muy productivo: un kilogramo de combustible de fusión podría proporcionar la misma cantidad de energía que 10 millones de kilogramos de combustible fósil. Una central de fusión de un gigavatio consumiría menos de una tonelada de combustible durante un año de funcionamiento. Un solo gramo de combustible puede producir 90 000 kilovatios hora de energía. La seguridad también es un factor importante. La historia de la energía nuclear de fisión convencional está repleta de accidentes y cuasiaccidentes. Las autoridades se preocupan por el riesgo de que los componentes clave caigan en las manos equivocadas y se utilicen para construir armas nucleares. No es el caso con la energía de fusión. Como se ha mencionado anteriormente, las cantidades de combustible utilizadas son mínimas, comparables al peso de un sello postal, y no son “fisionables” ni están enriquecidas, por lo que no existe la posibilidad de que se produzca una fusión o una reacción incontrolada.

“Me gusta decirle a la gente que la fisión nuclear es fácil de empezar, pero difícil de parar. Con la energía de fusión ocurre lo contrario”, explica Christofer Mowry, exdirector ejecutivo de uno de los principales actores del sector, la empresa canadiense General Fusion[9].

Los defensores de las centrales nucleares de fusión afirman que tienen el potencial de producir un suministro de energía casi ilimitado, a bajo coste y con un riesgo mínimo[10], beneficios por los que realmente vale la pena luchar.

La fusión en comparación con la fisión

Las centrales nucleares convencionales se basan en la fisión, es decir, la división de los átomos de elementos pesados, normalmente el uranio, en otros más ligeros. La energía que se libera durante este proceso se utiliza para hervir agua que genera vapor y que luego hace girar las turbinas que producen electricidad.

En el caso de la fusión, el proceso es a la inversa. Se genera calor al combinar (o fusionar) átomos más ligeros para crear otros más pesados. La razón por la que la fusión tiene tanta capacidad de generación de energía es que el nuevo elemento pesa algo menos que la suma de sus partes. Esa pequeña pérdida de materia se convierte en energía según la famosa fórmula de Albert Einstein, E = mc². Este es el mismo proceso que genera la energía del Sol y de otras estrellas. En la fórmula de Einstein, la “E” representa la energía y la “m”, la masa. La última parte de la fórmula es “c”, una constante que mide la velocidad de la luz: 300 000 kilómetros por segundo. Por último, la velocidad de la luz se eleva al cuadrado, un enorme multiplicador de la materia que se convierte en energía, lo que hace de la fusión una reacción con un poder extraordinario[11].

Sin embargo, no es un proceso simple. Para que la fusión funcione, los átomos deben colisionar. El problema (o uno de ellos) es que el núcleo de los átomos, el núcleo atómico de carga eléctrica positiva, que se encuentra rodeado por electrones de carga eléctrica negativa, normalmente se repelen entre sí. Para superar esta fuerza de repulsión, los átomos deben moverse increíblemente rápido en un espacio cerrado. El Sol y otras estrellas tienen la capacidad de hacerlo porque su masa, literalmente, astronómica genera enormes fuerzas gravitatorias que hacen que los átomos se precipiten hacia su centro.

Aquí, en la Tierra, necesitamos un planteamiento distinto. Esto es lo que ha sido objeto de preocupación de nuestros mejores físicos e ingenieros desde hace décadas. El proceso de fusión ya se ha demostrado a pequeña escala en los laboratorios, pero tal es la complejidad del proceso, que aún no se ha logrado generar más energía de la que se consume.

La reacción requiere la creación de un estado de la materia de alta energía: el plasma, un estado ionizado de la materia similar a un gas. Los plasmas, compuestos por partículas cargadas (núcleos positivos y electrones negativos), son entornos muy ligeros, casi un millón de veces menos densos que el aire que respiramos[12]. El plasma requiere temperaturas muy elevadas (50 millones de grados centígrados), y debe mantenerse estable bajo una presión intensa, y lo suficientemente denso y confinado durante el tiempo suficiente para que los núcleos se fusionen.

Diferentes enfoques para la fusión

Para que la fusión sea útil, el plasma debe crearse de forma controlada para que se pueda recoger la energía resultante. En la actualidad existen dos enfoques fundamentales, con algunas variaciones. Uno de ellos, adoptado por el National Ignition Facility (o Centro Nacional de Ignición) del Lawrence Livermore National Laboratory de California, consiste en confinar el combustible de fusión y comprimirlo mediante láseres. A este enfoque se le denomina fusión por confinamiento inercial (FCI).

El otro enfoque se denomina generalmente fusión por confinamiento magnético (FCM), y consiste en utilizar imanes extremadamente potentes para crear un campo magnético —una “botella”— para aislar y contener el plasma. En el centro se encuentra un tipo de reactor FCM con forma de rosquilla llamado tokamak. Este utiliza campos magnéticos de alta intensidad para calentar un plasma de hidrógeno a cientos de millones de grados centígrados y luego mantener ese plasma estable mientras se combinan sus átomos. El objetivo es mantener el plasma unido el tiempo suficiente para que se produzca una cantidad significativa de fusión. El récord actual es de tan solo seis minutos.

Una variación de estos enfoques es la Magnetized Target Fusion (MTF), que combina características de la fusión por confinamiento magnético y de la fusión por confinamiento inercial, pero requiere menos ingeniería y menos recursos. Al igual que en el enfoque magnético, el combustible de fusión es confinado a una densidad más baja mediante fuertes campos magnéticos mientras se calienta el plasma. La reacción de fusión se inicia apretando rápidamente el objetivo para aumentar considerablemente la densidad y la temperatura del combustible, como en el enfoque inercial. La densidad resultante es menor que la que se obtiene en la fusión por confinamiento inercial “pura”, y algunos científicos creen que este enfoque híbrido, que ofrece un mayor tiempo de confinamiento y una mejor retención del calor, demostrará en última instancia la viabilidad comercial del MTF y será más fácil de construir.

Se cree que un reactor de fusión comercial completamente desarrollado será lo suficientemente viable como para competir con otras formas de electricidad. El objetivo es que tenga un coste de 50 dólares por megavatio-hora, lo mismo que el carbón. Aunque otras formas de energía renovable puedan ser más baratas, no son tan fiables ni tan flexibles.

Invertir en la energía del mañana

Como inversor comprometido con la energía sostenible y con alcanzar las cero emisiones netas, Abdul Latif Jameel, a través de Jameel Investment Management Company (JIMCO), ha decidido invertir en dos de los pioneros mundiales del sector de la energía de fusión, que está experimentando un rápido desarrollo: Commonwealth Fusion Systems (CFS), una empresa derivada del Plasma Science and Fusion Center del ITM con sede en Boston y que cuenta con Jeff Bezos y Bill Gates entre sus financiadores[13], y General Fusion, una empresa con sede en Canadá que también cuenta con el respaldo de Bezos.

En diciembre de 2021, el JIMCO Technology Fund participó en la ronda de financiación de la Serie B de 1800 millones de USD de CFS para acelerar la comercialización de la energía de fusión. Ese mismo mes, también anunció su participación en la ronda de financiación de la Serie E de 130 millones de dólares de General Fusion.

La tecnología de General Fusion utiliza el enfoque de Magnetized Target Fusion descrito anteriormente para conseguir una solución intermedia entre la fusión por confinamiento magnético (FCM) y la fusión por confinamiento inercial (FCI). En este proceso, el reactor evita la necesidad de un confinamiento magnético mediante el uso de potentes impulsos eléctricos para crear ráfagas autoestabilizantes de plasma que luego se inyectan en el núcleo del reactor. Esto se ha comparado con un anillo de humo, en el que las corrientes de aire dentro del anillo mantienen su forma durante unos segundos antes de desaparecer[14]. Las ráfagas de plasma solo duran unos 20 milisegundos, pero es tiempo suficiente para que se compriman.

El núcleo del reactor de General Fusion estará revestido de litio y plomo fundidos. Una vez que se haya inyectado una ráfaga de plasma, una hilera de pistones accionados por gas comprimirán el núcleo, que pasará de ser un cilindro a una esfera y aumentará drásticamente la velocidad de fusión.

El revestimiento de metal líquido del reactor no solo comprime el plasma, sino que también captura la energía de la reacción. El metal calentado será conducido a un intercambiador de calor donde se utilizará para generar vapor. Los neutrones de la reacción de fusión, por su parte, transformarán parte del litio en más combustible de tritio, que de otro modo sería escaso y caro. El reactor también puede multiplicar o reducir la producción de energía por diez cambiando la velocidad a la que gira el núcleo. Esto debería permitirle “hacer un seguimiento de la carga”, aumentando la producción cuando la demanda de electricidad sea alta y reduciéndola cuando sea baja.

La compresión inducida por láser, como la que se utiliza en el National Ignition Facility, tarda milmillonésimas de segundo. Sin embargo, la compresión en el reactor de General Fusion tarda milésimas de segundos, lo que lo sitúa dentro del alcance de una electrónica digital mucho más barata. El resultado debería ser un reactor más barato y sencillo de construir y explotar que una máquina de FCM o de FCI.

Actualmente, General Fusion está construyendo una planta de demostración en Culham, cerca de Londres (lugar en el que desde hace décadas se están llevando a cabo las principales investigaciones en torno a la fusión en el Reino Unido) que está previsto que empiece a funcionar en 2025. La empresa tiene como objetivo tener sus primeros reactores en el mercado a principios de la década de 2030.

Aceptar el reto del tokamak

Commonwealth Fusion Systems, empresa radicada en Boston, está adoptando un enfoque diferente, basado en la tecnología de los tokamak. Bob Mumgaard, director general y cofundador de CFS, afirma que la empresa tiene como objetivo tener un reactor en funcionamiento en seis años.

En una entrevista reciente para un artículo de la serie Perspectivas de Abdul Latif Jameel, Mumgaard explicó cómo su empresa ha utilizado superconductores de alta temperatura (HTS) revolucionarios fabricados con óxido de cobre y bario de tierras raras para hacer imanes potentes mucho más pequeños que antes.

Esto significa que el tokamak utilizado en el reactor también podría ser mucho más pequeño.

“La tecnología actual exige que los tokamaks sean muy grandes para crear el campo magnético y lograr la energía neta para la fusión”, señaló Mumgaard, añadiendo que la planta de ITER en Francia tiene 1 kilómetro de largo y 400 metros de ancho. “Al desarrollar estos imanes HTS en las configuraciones correctas, ahora podemos hacer tokamaks mucho más pequeños, unas 40 veces más pequeños que ITER, lo que cambia las reglas del juego para los sistemas de fusión”.

Para hacernos una idea de la fuerza de los imanes HTS, su potencia (la fuerza del campo magnético), se mide en una unidad llamada tesla.[15] Los imanes que utiliza CFS en sus reactores son de 20 teslas, lo suficientemente grandes como para levantar un tanque acorazado. Mumgaard describe el tokamak como una “gran botella magnética” en la que unos campos magnéticos de una gran fuerza controlan bolas de plasma a 100 millones de grados centígrados… “cosas de estrellas”.

Tras haber superado con éxito la prueba de concepto en septiembre de 2021, el ITM y CFS están construyendo de forma conjunta lo que Mumgaard define como “la primera máquina de fusión que producirá energía neta”, es decir, la primera planta de fusión que producirá más energía de la que consume; 10 veces más energía, según Mumgaard, con una potencia de 100 MW[16]. A esta máquina se la ha bautizado con el nombre de SPARC, se está construyendo en Devens (Massachusetts) y está previsto que entre en funcionamiento a finales de 2025.

El poder del capital privado

Tales son las enormes sumas de inversión necesarias para hacer avanzar la tecnología de fusión y tan a largo plazo será la amortización de las inversiones, que Fady Jameel, presidente adjunto y vicepresidente de Abdul Latif Jameel, cree que los inversores privados son vitales para el éxito a largo plazo de la energía de fusión:

“Tanto el capital privado como las empresas familiares tienen la ventaja de la paciencia. Pueden permitirse invertir a largo plazo porque no están obligados a responder a una serie de accionistas que exigen rentabilidades en un plazo de tres a cinco años”, señala. “Como tal, creo que tienen una oportunidad única, posiblemente una responsabilidad, para invertir en estos tipos de tecnologías futuras innovadoras como parte de su continuidad comercial, y también como una responsabilidad con las generaciones futuras”.

Abdul Latif Jameel tiene un largo historial de inversión en tecnologías energéticas sostenibles. También cuenta con sus propios negocios enfocados en el sector de las energías renovables, como Almar Water Solutions, una empresa líder en el desarrollo y la gestión de infraestructuras hídricas y servicios relacionados con el agua, y Fotowatio Renewable Ventures (FRV), ambas parte de Abdul Latif Jameel Energy. FRV cuenta con una serie de proyectos de desarrollo de energía sostenible, desde sus nueve granjas solares en Australia hasta Clay Tye, el mayor proyecto de desarrollo de almacenamiento en baterías del Reino Unido, que contribuirá a la descarbonización de la red energética británica.

Grandes recompensas

Ahora que la inversión en energía de fusión se encuentra a niveles sin precedentes, impulsada en gran parte por el capital privado en lugar de contar únicamente con el respaldo de los gobiernos, debemos hacernos una pregunta: ¿qué valor tiene todo esto?

Bloomberg Intelligence[17] cree que el éxito —lograr un reactor comercialmente viable—, está tan cerca que merece la pena intentarlo. En su artículo al respecto afirma que la energía de fusión comercialmente viable sería todo un logro “más allá de la escala de Richter en lo que respecta a los avances modernos”. Considera que Tesla (el fabricante de motores) es el parangón más cercano a este hito, aunque las consecuencias de la energía de fusión serían mucho mayores.

El artículo concluye diciendo que, suponiendo que la fusión nuclear pudiera sustituir el 1 % de la producción mundial de gigavatios de energía, esta podría llegar a valorarse en 40 billones de dólares. Y mucho más que eso, la energía de fusión trastocaría radicalmente el mercado energético y, de paso, conseguiría aquello que ya creíamos posible: energía ilimitada, limpia, renovable y asequible para todos.

Sin duda, un futuro en el que merece la pena invertir, ¿no cree?

[1] https://www.economist.com/science-and-technology/2021/06/24/the-race-to-build-a-commercial-fusion-reactor-hots-up

[2] https://www.bloomberg.com/professional/blog/nuclear-fusion-market-could-achieve-a-40-trillion-valuation/

[3] https://www.forbes.com/sites/christopherhelman/2022/01/02/fueled-by-billionaire-dollars-nuclear-fusion-enters-a-new-age/

[4] https://www.sciencefocus.com/future-technology/fusion-power-future/

[5] https://www.cnbc.com/2019/03/06/bezos-microsoft-bet-on-a-10-trillion-energy-fix-for-the-planet.html

[6] https://www.nasdaq.com/articles/bill-gates-and-big-oil-are-chasing-the-nuclear-fusion-dream-2020-06-03

[7] https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide

[8] https://www.iter.org/sci/Fusion

[9] https://www.economist.com/science-and-technology/2021/06/24/the-race-to-build-a-commercial-fusion-reactor-hots-up

[10] https://ccfe.ukaea.uk/fusion-energy/fusion-in-brief/

[11] https://www.vox.com/22801265/fusion-energy-electricity-power-climate-change-research-iter

[12] https://www.iter.org/sci/MakingitWork

[13] https://www.economist.com/the-economist-explains/2022/02/09/what-is-nuclear-fusion

[14] https://www.economist.com/science-and-technology/2021/06/24/the-race-to-build-a-commercial-fusion-reactor-hots-up

[15] Tesla (T) es una unidad derivada de la fuerza del campo magnético B en el Sistema Internacional de Unidades. Un tesla equivale a un weber por metro cuadrado. 1 T in: es igual a las unidades base del SI: 1 kg⋅s−2⋅A−1 Símbolo: T Derivación: 1 T = 1 Wb/m2

[16] https://www.nature.com/immersive/d41586-021-03401-w/index.html

[17] https://www.bloomberg.com/professional/blog/nuclear-fusion-market-could-achieve-a-40-trillion-valuation/