La fusión nuclear presenta un menor riesgo de proliferación armamentística

El riesgo de que los productos desechados por un reactor de fusión nuclear sean utilizados para producir armamento nuclear es extremadamente bajo.

Investigadores estadounidenses han demostrado que los futuros sistemas de generación de energía mediante fusión nuclear por confinamiento magnético podría suponer un peligro mucho menor para la proliferación nuclear. 

Los investigadores de la Universidad de Princeton, encontraron que si las plantas de energía nuclear de fusión son construidas bajo las salvaguardas adecuadas de diseño, hay poco riesgo de que los materiales fisibles resultantes sean utilizables para la fabricación de armas. Ya sea utilizándolos abiertamente o de forma encubierta.

Sus resultados fueron publicados el 29 de marzo, por la publicación de la PIO en la revista Fusión Nuclear.

En el estudio, los investigadores realizaron una evaluación cuantitativa de los riesgos de proliferación – la utilización fraudulenta de materiales nucleares para su uso en armas – asociada a una planta de fusión nuclear bajo tres escenarios diferentes y en abierta comparación con los riesgos conocidos de la actual tecnología de la energía nuclear de fisión.

El coautor del estudio Glaser Alex resume: "Hemos encontrado que los riesgos de proliferación de la fusión son bajos en comparación con la fisión, en el supuesto de que las salvaguardias del OIEA (Organismo Internacional de la Energía Atómica) se aplicaran en ambos casos. "

Los tres escenarios son: la producción clandestina de material utilizable para armas en una instalación no declarada; la producción encubierta de dicho material en una instalación declarada, y la producción de material en un escenario de confrontación en el que el esfuerzo no se oculta.

En primer lugar, sus resultados demostraron que es altamente improbable que un sistema a pequeña escala de fusión nuclear pudiera ser construido, operado y luego se utilizado de manera clandestina para producir un arma nuclear en dos años. Esto es debido al gran tamaño y el consumo de energía de la instalación que se requeriría, serían instalaciones imposibles de ocultar por la necesidad continua de nuevo refrigerante y por la presencia de torres de refrigeración con una capacidad de al menos 40 MW.

En comparación, las plantas de centrifugadoras de primera generación, que pueden producir uranio altamente enriquecido son complejos fáciles de ocultar (ver el problema con Irán) y pueden ser diseñados para producir material para un arma al año con menos de 0,5 MW de potencia. Una potencia similar a las plantas industriales comunes, lo que dificulta su identificación por las inspectores nucleares.

Los investigadores utilizaron un conjunto de simulaciones por ordenador para determinar las cantidades de materiales para armas que podrían ser producidos con una planta de fusión de tamaño comercial. Y encontraron que, si bien el potencial de producción es significativo, en principio, sería fácil para los inspectores nucleares detectar la producción clandestina de armas.

Los investigadores estiman que el período mínimo necesario para producir material utilizable para armas en una planta de fusión nuclear podría ser de uno o dos meses. También señalan que las plantas de fusión requieren muchas instalaciones auxiliares, tales como entradas de energía y torres de enfriamiento, que se podrían apagar sin riesgo de provocar contaminación nuclear, y por lo tanto evitar la proliferación de forma expeditiva sin riesgos añadidos.


IOPSCIENCE

RESIDUOS RADIACTIVOS en FUSIÓN NUCLEAR

Para que un reactor de fusión nuclear sea verdaderamente “limpio”, y no produzca residuos nucleares radiactivos, se necesitaría eliminar los neutrones en la reacción de fusión. Aunque, en cualquier caso, un reactor nuclear de fusión siempre producirá infinitamente menos residuos nucleares y de menor peligrosidad que un reactor de fisión.

En la reacción que se estudiará en el proyecto ITER se producen neutrones libres, que deberán ser eliminados eficientemente para disminuir el monto total de residuos nucleares.

Deuterio + Tritio -> Helio-4 + neutrón

Pero eliminar neutrones nunca es tarea fácil. Al carecer de carga eléctrica, no es posible guiarlos mediante campos eléctricos. La solución pasa por revestir todas las paredes que se encuentran enfrentadas al plasma con materiales adecuados para absorber esos neutrones. Para ello se estudian diversos compuestos que cubrirán las paredes del Divertor (situado en la parte inferior de la rosquilla toroidal) y del Blanket (recubre todo el resto de paredes de la rosquilla). Ver entrada sobre (Fusión Nuclear). Por ejemplo, revistiendo la pared del Blanket de Litio se podrían eliminar neutrones y al mismo tiempo producir el Tritio necesario para alimentar la reacción. El Tritio debería ser eliminado posteriormente del agua, pues es un isótopo radiactivo que emite electrones de alta energía. Puede resultar peligroso si se bebe o ingiere, y además es difícil de contener, pues puede atravesar fácilmente paredes de acero y otros materiales. Pero la contaminación con Tritio no es tan preocupante como otros elementos radiactivos, su vida media es relativamente corta, solo 12 años, por lo que en 80 años su radiactividad decae a menos del 2 por 100.

Otra posibilidad mucho más práctica, sería utilizar combustibles alternativos cuyas reacciones de fusión no produzcan neutrones libres, sino protones, que son más fáciles de eliminar mediante campos electromagnéticos:

Deuterio + Helio-3 -> Helio-4 + protón

El Helio-3 es un raro isótopo del Helio, que resultaría muy útil en el proceso de fusión, pues no genera neutrones residuales. El helio-3 permitiría un menor riesgo de contaminación nuclear que el tritio (isotopo radiactivo del hidrógeno), pues permitiría reducir el monto total de residuos radiactivos. El helio-3 se produce de hecho por el normal decaimiento radiactivo del tritio.

Pero aquí surgen problemas nuevos, pues el helio-3 se encuentra en cantidades exiguas en la superficie de nuestro planeta. Aunque hay grandes cantidades del isótopo en el interior de la Tierra procedente de la época de su formación, una vez que sale a la superficie, no queda atrapado en la atmósfera sino que escapa al espacio exterior. El Helio es un gas demasiado ligero para ser retenido por la gravedad de la Tierra, por lo que siempre que se libera a la atmósfera escapa al espacio exterior.

Este raro isótopo del helio podríamos obtenerlo como subproducto de la fabricación de bombas de hidrógeno. Pero sería conveniente plantear una solución menos "belicosa", como obtenerlo mediante la explotación mineral de la Luna. El helio-3 es abundante en la Luna proveniente del viento solar que desde la formación de la Luna ha barrido su desnuda superficie. Al precio actual de 7.000 dolares el gramo, seguro que aparecerían numerosas empresas dispuestas a la extracción Lunar. Una lanzadera espacial que regresara a la Tierra con 900 kg de este isótopo reportaría a la compañía la increíble cifra de 6.300 millones de dólares. Aunque, lógicamente, el precio descendería una vez aumentara las reservas explotables de helio-3, el valor de este raro producto seguirían siendo lo suficientemente alto como para alentar la minería Lunar.

La Luna, ¿el nuevo El Dorado?

Quién sabe, si no será ese el verdadero interés que han mostrado recientemente países como Japón, China, Rusia y Estados Unidos, por volver a estudiar la Luna. Aunque, teniendo en cuenta el estado actual de desarrollo de la fusión nuclear, no cabe pensar que sea necesario explotar las reservas de helio lunar hasta bien entrado el siglo XXII.

FUSIÓN NUCLEAR

El ITER es un proyecto de investigación internacional compartido por la Unión Europea, Estados Unidos, Japón, Corea del Sur, China, India y Rusia, para conseguir superar las actuales barreras que impiden el aprovechamiento comercial de la energía del Sol. La fusión nuclear tiene notables ventajas con respecto a los reactores nucleares de fisión. No solo es considerablemente respetuosa con el medio ambiente pues, no emite gases de efecto invernadero y los residuos radiactivos son de escasa entidad, sino que además, permitiría contar con una fuente de energía casi ilimitada. El combustible necesario para su funcionamiento, el Deuterio, se puede obtenerse fácilmente del agua marina.

El ITER está basado en el concepto del “Tokamak”. Mediante el confinamiento magnético dentro de una vasija con forma de rosquilla o toroide se logran las elevadísimas temperaturas necesarias para la fusión nuclear. El combustible que se utilizará se trata de una mezcla de deuterio y tritio, dos isotopos del hidrógeno que se calientan hasta temperaturas de 150 millones de grados centígrados (unas 10 veces la temperatura del núcleo del Sol), para formar un plasma. Para conseguir tan fenomenales temperaturas sin que se volatice instantáneamente el aparato, el plasma tiene que estar confinado por un poderoso campo magnético que lo mantiene alejado de las paredes. Tan intensos campos magnéticos solo pueden ser conseguidos mediante enormes bobinas superconductoras que rodean la vasija. Las bobinas cumplen una doble función pues compactan el plasma e inducen una corriente eléctrica en su interior para elevar la temperatura.

Pero como ocurre con un motor diesel, para arrancar el motor primero hay que precalentarlo. Para ello se utilizan tres sistemas diferentes que inyectan 50 Mw de calor. Dos de ellos actúan como los microondas domésticos propagando intensas ondas electromagnéticas y un tercer sistema inyecta haces de neutrones. Una vez lograda la ignición y producción de Helio, la reacción debería de ser autosostenible. Para que el proyecto sea un éxito la inyección de calor desde el exterior debe ser reducida o apagada por completo en ese momento. Al menos el 50% de la temperatura necesaria para calentar el plasma debe provenir de la propia reacción de producción de Helio, o de lo contrario habría que volver a replantearse todo el proyecto partiendo de cero.

La vasija al vacio del Tokamak es el núcleo al que se unen todos los restantes sistemas y donde se produce la reacción de fusión. Se trata de una vasija toroidal de acero, dos veces mayor que la de anteriores proyectos. Posee un diámetro interno de 6 metros y 500 toneladas de peso, aunque con todo el instrumental puede llegar a las 8000 Tn (casi como la Torre Eiffel). La vasija está dotada de una doble pared en su parte inferior para que circule en su interior el agua de refrigeración. Al ser el ITER un programa de investigación, el calor extraído por el agua de refrigeración no se utiliza para generar electricidad. En lugar de ello pasa a una torre de refrigeración donde se evapora el agua y disminuye su temperatura en 50ºC antes de volver a ser reinyectada. Si, en lugar de desperdiciarse se utilizase para producir electricidad, el ITER generaría 450 Mw térmicos.

¿Qué otros aspectos clave de la fusión se investigarán en el ITER?

COMBUSTIBLE: El ITER será el primer proyecto de fusión que utilice una mezcla de isótopos del hidrógeno (deuterio + tritio). Eso plantea un problema pues el deuterio es un isotopo del hidrógeno muy común, una parte de cada 6500 del agua está compuesta por deuterio en lugar de hidrógeno. Si consideramos la cantidad de agua de los océanos, sus recursos se podrían considerar ¡casi ilimitados! Pero no ocurre lo mismo con el tritio. El tritio en un isótopo radiactivo del hidrógeno por lo que es muy difícil encontrarlo en la naturaleza, al ser inestable. Se estima que la cantidad de tritio en toda la Tierra no supera los 20 kg. Algo completamente insuficiente una vez que comience la utilización comercial de la fusión nuclear. Por cada día de funcionamiento de un reactor de solo 800 Mw se necesitaría gastar del orden de los 300gr de tritio. Esto convierte a las reservas de tritio terrestres en un verdadero problema.

Una posible solución es obtenerlo de las centrales nucleares de fisión, donde se puede generar por la activación del hidrógeno contenido en el agua. Pero otra solución más adecuada sería idear un proceso de autogeneración en las paredes del reactor de fusión, y en concreto, en el Blanket. El Blanket recubre el interior de la vasija de vacio proporcionando protección del calor y los flujos de neutrones al resto de componentes del reactor. Para facilitar su mantenimiento están segmentados en 440 piezas individuales que pueden ser extraídas y renovadas por separado. Cada una de estas piezas de acero y cobre de alta resistencia mide 1 x 1,5 m y pesa 4,6 toneladas. De cada pieza, la cara que se enfrenta al plasma es un punto crítico a desarrollar. Se están estudiando varios compuestos para recubrir esta primera capa, aunque el más idóneo parece ser el Berilio. Aunque en la fase final del proyecto se podría testar con el Litio que, al ser bombardeado con los neutrones que escapan del plasma, se convierte en tritio. De este modo el reactor podría generar el propio tritio que consume.

¿Cómo funciona el “motor” de un reactor de fusión? En primer lugar, se hace el vacío extremo dentro de la vasija, para posteriormente inyectar el combustible. La cantidad de combustible en la vasija ¡nunca llega a 1 gr! Posteriormente, los intensos campos magnéticos comprimen el gas e inducen corrientes eléctricas que aumentan la temperatura hasta convertirlo en un plasma. En la parte inferior del anillo se encuentra el Divertor que permite el reciclaje de cualquier cantidad de combustible que no se consuma. El Divertor se encargar del proceso de separar el combustible no gastado del Helio generado en el anillo de plasma y expulsarlo al exterior para mezclarlo con nuevo combustible (deuterio-tritio) y volverlo a reinyectar. Esto convierte al Divertor en otro punto clave a investigar en el ITER.

El Divertor está localizado en el fondo de la vasija de vacío. Está compuesto por 54 módulos individuales y extraíbles de forma remota. Cada uno de estos módulos posee tres caras enfrentadas al plasma. Su función, como comentamos anteriormente, es la de absorber las partículas de alta energía (fundamentalmente neutrones y combustible sin gastar) que se producen en la intersección de los campos magnéticos y eliminarlas del plasma. Fundamentalmente extrae los isótopos no gastados de deuterio y tritio. La composición de los módulos del Divertor es un elemento central para la viabilidad comercial de todo el proyecto. Tiene que ser un material capaz de soportar temperaturas de 3000ºC durante los 20 años que durará el proyecto. En principio se va a testar la fibra de carbono reforzada con material composite. Es un material que permite una buena transferencia térmica, algo fundamental pues debajo del Divertor nos encontramos con el agua de refrigeración de todo el complejo. Otro elemento alternativo que se testará es el Tungsteno (wolframio), el material del que están compuestos los filamentos incandescentes de las bombillas. Este es un material que resiste la erosión, por lo que se espera que aumente la vida operativa de los módulos.