27807c by Editorial Océano de México, SA de CV

Carlos Hidalgo

Fusión nuclear para la sociedad

SUEÑOS Y BELLEZA DE LA IMPERFECCIÓN EN LA CIENCIA

COLECCIÓN FÍSICA Y CIENCIA PARA TODOS

COMITÉ EDITORIAL

Luis Viña Liste (Presidente de la RSEF)

Miguel Ángel Fernández Sanjuán (Editor General de la RSEF)

Rafael García Molina (Director de la Revista Española de Física, RSEF)

Fotografías del interior: Todas las imágenes pertenecen a la colección personal del autor a menos que se indique otra procedencia

Diseño de la cubierta: Pablo Nanclares

Facultad de Ciencias Físicas. Universidad Complutense de Madrid

Plaza de las Ciencias, 1 28040 Madrid www.rsef.es

TEL. 91 532 20 77 www.catarata.org

ISBN: 978-84-1067-340-3

Thema: PDZ/PH/PHDY/PHN Depósito legal: M-13.768-2025

Este libro ha sido editado para ser distribuido. La intención de los editores es que sea utilizado lo más ampliamente posible, que sean adquiridos originales para permitir la edición de otros nuevos y que, de reproducir partes, se haga constar el título y la autoría.

Índice

Prefacio 9

Capítulo 1. La encrucijada energética 11

1.1. Introducción 11

1.2. Fuentes de energía: no hay rosa sin espinas 13

1.3. El futuro: no hay una solución mágica 25

Capítulo 2. Hacer realidad nuestros sueños mediante el método científico 27

2.1. Introducción 27

2.2. La memoria y las escalas temporales para hacer realidad nuestros sueños 28

2.3. Los grandes desafíos 40

Capítulo 3. Ciencia y tecnología de la energía de fusión 45

3.1. Introducción 45

3.2. El estado plasma 55

3.3. Fusión por confinamiento magnético 66

3.4. Fusión por confinamiento inercial 74

3.5. Fusión en laboratorios terrestres 76

Capítulo 4. Los grandes desafíos: fusión para la sociedad 81

4.1. Introducción 81

4.2. Optimización de la física de reactores 82

4.3. Tecnología de materiales expuestos a neutrones de fusión 90

4.4. Tecnología de materiales en condiciones de altos flujos de energía 100

4.5. Tecnología de tritio 103

4.6. Prototipos y plantas de fusión 105

Epílogo 111

Glosario 113

Agradecimientos 119

Bibliografía 121

Prefacio

La importancia de los sueños y la belleza de la imperfección en las diversas esferas de la existencia humana, como la ciencia, el comportamiento humano y el arte, revela aspectos fundamentales de los procesos de evolución, adaptación y búsqueda. Los sueños, en todas sus formas —deseos, ambiciones o visiones de futuro— actúan como catalizadores de la creatividad. Del mismo modo, la imperfección nos recuerda nuestra humanidad y la realidad de nuestro entorno siempre cambiante.

Los sueños de nuevos descubrimientos y comprensión de la naturaleza son el verdadero corazón de la ciencia. Los científicos aspiran a desvelar los misterios del universo y cada vez que se responde a una pregunta emergen numerosas incógnitas adicionales que aún quedan por resolver. En este contexto, la imperfección no es una barrera, sino una invitación a seguir descubriendo. Las teorías científicas son inherentemente imperfectas —son modelos aproximados de la realidad que necesitan ser constantemente revisados y mejorados—. La imperfección aquí es sinónimo de belleza, porque es el espacio entre lo que sabemos y lo desconocido lo que impulsa la búsqueda científica. Es un recordatorio de que siempre hay más para aprender, más hipótesis que probar y más fronteras que cruzar. En este libro invitamos al lector a embarcarse en un viaje en el que exploraremos la fuerza de los sueños y la belleza de la imperfección en la ciencia. Un viaje que nos sumergirá en los desafíos que debemos abordar para hacer realidad la energía de fusión para la sociedad.

CAPÍTULO 1

La encrucijada energética

“No hay rosa sin espinas”. (Dicho popular)

1.1. Introducción

Uno de los avances más significativos de las últimas décadas ha sido el descubrimiento de que la naturaleza es frágil. Este hallazgo subraya la urgencia de no demorar la implementación de medidas para una transición energética que respete y proteja el medioambiente. Si se le pregunta al ciudadano promedio sobre el significado del “escenario 450” para la mitigación del cambio climático, su respuesta muy probablemente sería1 ¿cómo me afecta eso? En el pasado, los científicos a menudo eran vistos como miembros de una élite, aislados en torres de marfil y trabajando en laboratorios especializados y entornos académicos. Hoy los científicos están profundamente comprometidos en compartir su conocimiento y perspectivas con la sociedad.

Al igual que el aire, la energía es crucial para la supervivencia y el progreso de la especie humana. Para satisfacer sus necesidades biológicas básicas, como respirar, mantener la temperatura corporal y operar los sistemas orgánicos, el cuerpo humano necesita aproximadamente 2.000 kilocalorías al día en forma de alimento, que traducida a unidades de potencia viene a suponer unos 100 W;

1. El escenario 450 se refiere a una concentración de partes por millón (ppm) de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera.

es decir, somos a nivel de consumo biológico el equivalente a una bombilla de 100 W permanentemente encendida 2 . A modo de referencia, un ciudadano europeo consume aproximadamente 4 kW, lo que equivale a que nuestro nivel de vida europeo está sustentado por 40 “ayudantes” en unidades energéticas (Bret, 2014). Sin embargo, el acceso a las fuentes de energía está muy lejos de ser uniforme a escala planetaria; mientras en Estados Unidos se alcanzan los 10 kW per cápita (unos 100 ayudantes energéticos), en países como Bangladesh el consumo se reduce a los 0,3 kW. En la actualidad, alrededor de 1.500 millones de habitantes no tienen acceso a la electricidad y alrededor de 3.000 millones de personas utilizan biomasa para hacer frente a sus necesidades domésticas.

La energía es uno de los factores esenciales que han contribuido al progreso y a la mejora de la calidad de vida de la humanidad. Con un horizonte en el que las necesidades energéticas se duplicarán de aquí al año 2050, es urgente el desarrollo de fuentes de energía masivas, medioambientalmente sostenibles y socialmente aceptables. Este incremento en la demanda energética es consecuencia del efecto combinado del aumento de la población y del consumo energético per cápita en países en desarrollo. Estamos, pues, en una encrucijada de la energía en la que debemos impulsar un modelo energético que atenúe sus impactos ambientales.

La complejidad del desafío energético al que se enfrenta la humanidad no tiene soluciones mágicas. Todas las opciones actualmente operativas son necesarias, aunque su grado de disponibilidad depende de las condiciones ambientales y tecnológicas de las diferentes regiones del planeta. El lector encontrará en los próximos apartados algunas pistas para responder preguntas relacionadas con la encrucijada energética en la que nos encontramos.

2. Un vatio (W) es la unidad de potencia = 1 julio/segundo. Un julio es una unidad de energía en el sistema internacional de unidades que equivale aproximadamente a la energía que gastamos cuando levantamos una pequeña manzana a un metro de altura.

1.2. Fuentes de energía: no hay rosa sin espinas

La ciencia comienza cuando alguien plantea una pregunta general e intenta responderla mediante una investigación metódica que incluye y combina la experimentación y la argumentación lógica. El método científico genera conocimiento sobre el funcionamiento del mundo en su sentido más amplio y, por lo tanto, el poder de predecir y explicar el comportamiento de la naturaleza. Los corolarios son ventajas prácticas, que van desde aplicaciones médicas al desarrollo de fuentes de energía.

La búsqueda de fuentes de energía se remonta a los orígenes del ser humano. El dominio del fuego y la agricultura, el uso de la energía del agua y del viento y el desarrollo de aleaciones para la construcción de herramientas supusieron grandes avances para la humanidad. El desarrollo de las máquinas de vapor en la segunda mitad del siglo XVIII permitió transformar cualquier tipo de reacción de combustión en trabajo mecánico dando lugar a la revolución industrial. El aprovechamiento del electromagnetismo y sus aplicaciones, entre las que destaca el primer uso de la electricidad, siguió en el siglo XIX. La energía nuclear y la física de materiales impulsaron nuevas fuentes de energía en el siglo XX y el uso intensivo de la electricidad y la fotónica multiplicó las aplicaciones de la energía en nuevas tecnologías de la información y comunicación.

El resultado es que las necesidades energéticas del ser humano promedio se han multiplicado por un factor 100 a lo largo de la historia y los avances en la búsqueda de fuentes de energía han provocado cambios radicales en nuestra sociedad (figura 1). Pero, como dice el refrán, “no hay rosa sin espinas” (tabla 1). La generación y el consumo de energía tienen un impacto sobre el medioambiente en todas sus etapas, desde su extracción hasta su utilización, siendo sus efectos sobre el cambio climático la amenaza más inquietante.

Figura 1

Consumo humano

× 100

La búsqueda y explotación de fuentes de energía ha sido un factor determinante en el desarrollo económico y social. La capacidad para extraer, transformar y utilizar energía de manera eficiente ha llevado a la creación de sociedades tecnológicamente avanzadas pero también ha planteado desafíos significativos, como la sostenibilidad ambiental y la equidad en el acceso a los recursos. El acceso a fuentes de energía ha sido fundamental para mejorar la calidad de vida de los seres humanos. Desde los orígenes de nuestra especie, cuando lo esencial era tener acceso a los alimentos que garantizaban nuestra existencia, con unos recursos comparables al consumo de una bombilla de 100 W, hasta las sociedades avanzadas, donde nuestra calidad de vida está sustentada por hasta 100 ayudantes energéticos.

Tabla 1

Fuentes de energía y desafíos

Fuente de energía

Combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas)

Renovables (solar, viento, hidroeléctrica, biomasa)

Aspectos positivos Desafíos

Fácil de obtener

Bajos niveles de emisión de CO2

Energía nuclear (fisión) Bajos niveles de emisión de CO2

Altos niveles de emisión de CO2 con impacto en el cambio climático

Sistemas masivos de almacenamiento

Aceptación social tratamiento de residuos

Fusión nuclear Energía masiva y sostenible Gran desafío científico y tecnológico