Fusió nuclear: avenços històrics o necessitat de finançament?

Dimarts passat, els EUA van anunciar en una conferència de premsa amb la seva secretària d’Energia, Jennifer Granholm, que havien assolit per primera vegada la fusió nuclear amb un guany net d’energia. Una fita tecnològica i científica que ningú no qüestiona. Tanmateix, quan n’hem sabut els detalls –entre més qüestions, que s’hi havia dedicat molta més energia que no pas se n’havia obtinguda–, molts experts han matisat l’anunci del govern americà. Cal interpretar-lo en la competició entre Europa, els EUA i la Xina per dominar una tecnologia que garantiria, segons que diuen els seus defensors, una energia il·limitada i gairebé de franc. Malgrat això, els analistes han tornat a recordar els grans interrogants a resoldre perquè la fusió nuclear sigui una realitat comercial i no un experiment de laboratori.

Aquests darrers anys han fet anuncis semblants governs, grups de recerca i, fins i tot, empreses privades, que tindrien l’objectiu d’aconseguir i justificar el finançament per a una recerca i unes infrastructures extremadament cares i a molts anys vista. Què hi ha de realitat i d’interessos, en aquests anuncis? Tot seguit analitzem les qüestions principals de la fusió nuclear per contextualitzar i ajudar a entendre la fita d’aquesta setmana.

Fusió nuclear, la culminació energètica de la revolució científica

A l’Univers existeixen quatre forces fonamentals, que els humans usem al favor nostre sempre que podem: la gravitatòria, l’electromagnètica, la nuclear feble i la nuclear forta. Especialment per a generar energia –de fet, transformar-la. Així, als embassaments emprem la força gravitatòria per conduir l’aigua per unes canonades fins a una turbina, on gràcies a l’electromagnetisme transformem aquesta energia en electricitat. Isaac Newton ja va definir científicament la gravetat el 1683. Les seves teories van ser cabdals per permetre la Revolució Industrial i fer desenvolupaments tecnològics, com ara la màquina de vapor i el tren.

Va caldre esperar al segle XIX, amb la feina de científics com ara Coulomb, Ampère, Faraday i Maxwell per definir les lleis de l’electromagnetisme, que relacionen el magnetisme i l’electricitat. Com en el cas anterior, això va dur una revolució associada, que va permetre de generar electricitat massivament gràcies al magnetisme d’imants girant en bobines, iniciant l’electrificació a tot el planeta i fent possibles fites tan importants com l’arribada de la llum artificial a totes les cases, gràcies a les bombetes. En darrer terme, a principi del segle XX, amb la feina de científics, com ara Einstein, finalment s’entenen les forces nuclears. I com en els casos anteriors, es miren d’aprofitar per tenir energia. Una fita ja aconseguida en el cas de la fissió nuclear d’ençà de mitjan segle XX, però que continua essent elusiva en el cas de la fusió nuclear.

De fet, si la vida existeix a la Terra, i els humans hem desenvolupat la nostra civilització, és gràcies a la fusió nuclear: el Sol és un gran reactor termonuclear natural. La seva llum és la que aprofiten molts organismes per fer la fotosíntesi, gràcies a la qual tenim una atmosfera d’oxigen, aliments i combustibles, com ara la fusta, el petroli, el carbó i el gas. Dins del Sol hi ha una pressió i temperatures tan elevades que els àtoms d’hidrogen, el 75% de la seva massa, es fusionen i es transformen en heli. Sense aquestes pressions i temperatures, la força nuclear forta, la més potent que existeix a la natura, impediria que s’unissin. Una volta vençuda aquesta enorme força, es produeix la fusió nuclear. Però amb una característica molt important: la massa resultant de l’àtom d’heli és inferior a la suma de la dels dos àtoms d’hidrogen. On ha anat a parar, aquesta massa que s’ha perdut? S’ha transformat en energia, segons que va explicar Einstein amb la seva famosa fórmula E=mc² –energia igual a massa per velocitat de la llum al quadrat. Proporcionalment, l’energia obtinguda d’aquesta manera supera qualsevol altre mecanisme d’aconseguir energia. Per això, la fusió nuclear ha estat d’ençà de fa dècades un objectiu de gran interès, que representa la culminació de la revolució científica. Tanmateix, tot i que conceptualment sembla fàcil obtenir-la, a la pràctica no és gens senzill. Fins i tot pot resultar inviable comercialment, tal com apunten alguns experts.

La competència entre països per a dominar la fusió nuclear

Emular el Sol a la superfície del nostre planeta presenta molts inconvenients. El primer és que no podem generar les pressions que hi ha al Sol. Pressió i temperatura van lligades. Si l’una baixa, l’altra ha de pujar per obtenir el mateix resultat. Per tant, si no podem generar les pressions dels Sol, hem de generar una temperatura molt més elevada per contrarestar-ho. Concretament, cal que generem una temperatura unes sis vegades més alta que no la del nostre astre: si la fusió allà es genera a uns 15 milions de graus, a la Terra s’ha d’arribar a 100 milions. A banda de la quantitat extraordinària d’energia per a assolir aquestes temperatures, hi ha la dificultat que cap material no pot contenir un altre material a 100 milions de graus. Es fondria automàticament. Aquest aspecte és una altra de les grans qüestions de la fusió nuclear: com confinem el combustible, si no el pot tocar res? L’anunci del govern dels EUA és, precisament, important en aquest aspecte, perquè no usa la tècnica de confinament majoritàriament emprada fins ara.

A les temperatures que calen per poder engegar la fusió nuclear, la matèria és en el seu quart estat, el plasma. Els electrons i els nuclis d’àtoms s’han separat entre si i es mouen lliurement. El plasma té una propietat cabdal que fa possible treballar-hi, malgrat que cap material el pugui contenir: és carregat elèctricament. Això fa possible contenir-lo en suspensió gràcies al magnetisme. El confinament magnètic és la tècnica principal usada fins ara en els experiments de fusió nuclear, amb els reactors tokamak, desenvolupats per científics soviètics als cinquanta. D’aleshores ençà se n’han fet més d’un centenar, d’aquests reactors. Tanmateix, per mirar d’obtenir més energia de la dedicada a assolir la fusió, i que duri indefinidament, per a fer-lo viable comercialment, cal augmentar la mida d’aquests reactors a una escala i uns costs en què cal col·laboració internacional.

Per això es va formar l’ITER, el projecte internacional per a fer realitat un reactor tokamak d’aquestes característiques, i que es construeix a la ciutat occitana de Sant Pau de Durènça, prop de Marsella. És un dels grans projectes de col·laboració entre països, així com l’Estació Espacial Internacional i l’accelerador de partícules del CERN, i ha estat definit com l’experiment científic més car de tots els temps i el projecte d’enginyeria més complicat de tota la història.

A l’ITER participen la UE, els EUA, la Xina, Rússia, l’Índia, el Japó, Corea del Sud, el Regne Unit, Suïssa, Austràlia, el Canadà, el Casaquistan i Tailàndia, sota els auspicis de l’Agència Internacional de l’Energia. I, com és norma en els projectes nuclears, acumula endarreriments i sobrecosts. Si el cost original es va pressupostar en 6.000 milions, actualment es considera que se n’hi hauran de dedicar entre 45.000 i 65.000, unes deu vegades més. A més, sembla que alguns països estan més interessats a obtenir la tecnologia per després aplicar-la als seus reactors. Podria ser el cas de la Xina, que manté el desenvolupament del reactor tokamak EAST, i que ha assolit unes quantes fites mundials. De fet, el gegant asiàtic, a principi d’enguany, també va anunciar un avanç històric. Si el 2021 havien aconseguit arribar als 120 milions de graus mantenint la fusió durant 1 minut i 41 segons, el gener passat van aconseguir de mantenir la fusió amb 70 milions de graus durant 17 minuts i 36 segons, molt més que no s’havia aconseguit fins aleshores. En aquest sentit, l’anunci dels EUA es pot interpretar com una resposta als avenços xinesos, una qüestió no solament d’orgull nacional, sinó també dins de la seva guerra comercial i tecnològica.

Una lluita també tecnològica i científica

La fita nord-americana també destaca per la tecnologia emprada. No s’ha assolit amb un reactor tokamak, sinó usant una tècnica alternativa, amb làsers. Els reactors tokamak són extremadament cars i complexos, i en el camp de la fusió també es competeix per millorar aquests dos aspectes. Una de les alternatives és fer servir làsers, que crearien un embolcall energètic i de pressió al voltant d’un objecte que conté el combustible d’hidrogen, i evitarien els caríssims imants superconductors per a contenir els plasma i serien en instal·lacions molt més petites i simples. Aquesta tècnica s’anomena confinament inercial i, com en el cas del confinament magnètic, hi ha diverses variants. Una de les quals, també amb l’objectiu d’abaixar-ne els costs, és la que es prova al Regne Unit gràcies a First Light, una empresa creada per la prestigiosa Universitat d’Oxford. És la fusió amb projectils, en què s’empra un cub d’un centímetre de costat que conté el combustible a fusionar (l’hidrogen) sobre el qual es fa impactar un projectil que va a una velocitat de 6,5 quilòmetres per segon.

Ara fa poc, van anunciar un nou avenç històric: van obtenir la fusió mitjançant aquesta tècnica. Entre les virtuts hi ha la d’haver necessitat menys de 45 milions de lliures –uns 50 milions d’euros–, en unes instal·lacions molt senzilles, i amb molts menys riscs físics. D’aquesta manera esperen d’arribar a uns costs de generació elèctrica de 50 dòlars/MWh. Els seus plans són tenir una planta pilot de 150 MW de potència elèctrica en la dècada vinent, a un preu inferior als 1.000 milions, una quantitat molt per sota de l’ITER, però no pas petita.

No és l’única companyia privada que ja ha aconseguit la fusió nuclear. Uns dels altres que diuen haver-la obtinguda són els nord-americans d’Helion Energy, companyia que es vol centrar a resoldre els problemes d’enginyeria. Amb un objectiu molt agosarat: volen tenir un reactor de fusió nuclear de la mida d’un contenidor de mercaderies. Per fer-ho realitat, usen una tècnica mixta que anomenen accelerador de plasma. És una màquina amb dos dipòsits de combustible confinats magnèticament separats per poc més d’un metre. El combustible és accelerat a 1,6 milions de quilòmetres per hora, es fa impactar, com si fossin projectils, l’un contra l’altre, i arriba als 100 milions de graus. “El nostre dispositiu actual ja fa fusió cada dia”, van dir a les xarxes socials a final del 2021. La companyia actualment desenvolupa una nova generació després d’haver aconseguit un finançament de més de 2.000 milions de dòlars, facilitat per les fites històriques anunciades per la companyia.

Una tecnologia innecessària?

Tal com hem vist, aquests darrers anys hi ha hagut un seguit d’anuncis d’avenços històrics en el camp de la fusió nuclear que molts analistes apunten que són més aviat producte de la lluita entre països i amb laboratoris de recerca i empreses privades que competeixen per obtenir milers de milions en finançament per uns objectius que es poden assolir, en els millors dels casos, d’ací a una dècada. I que molts especialistes qüestionen que arribin a ser possibles. Una de les crítiques més contundents la va fer el 2017 el científic retirat Daniel Jassby, que va treballar durant vint-i-cinc anys al laboratori de física del plasma de la prestigiosa universitat de Princeton. “Després de retirar-me, em miro la fusió més desapassionadament. He conclòs que un reactor de fusió és lluny de ser perfecte i, en certa manera, és més aviat el contrari.” El científic exposa diverses qüestions estructurals que afecten aquesta tecnologia. Per una banda, el combustible. Al Sol, gràcies a l’enorme pressió, a banda de necessitar menys temperatura, la fusió es pot fer amb àtoms d’hidrogen normals. En canvi, a la Terra, com que no té aquesta pressió, cal més temperatura. Però no solament això.

També cal emprar les formes més reactives de l’hidrogen, els isòtops deuteri i triti, que permeten densitats més baixes. Amb deuteri, en teoria, es pot assolir la fusió, però gràcies al triti es pot abaixar la temperatura necessària d’un terç. I mentre que el deuteri es pot trobar fàcilment a la natura, el triti no. La font principal de triti són els reactors nuclears de fissió, i un reactor de fusió hauria de generar triti per poder continuar la reacció. Cosa que Jassby dubta que es pugui aconseguir. Un altre inconvenient és el consum energètic “paràsit”, el que necessiten les instal·lacions, tant si hi ha fusió com si no, i que s’ha d’obtenir de la xarxa elèctrica; uns consums que serien equivalents tant en el confinament magnètic com l’inercial, i que, segons el científic, serien antieconòmics per a instal·lacions de menys de 1.000 MW. Sense oblidar els residus nuclears que es produiran per l’activació atòmica dels materials que conformen el reactor. També hi ha riscs de proliferació nuclear, atès que tècniques com les que usen làser són d’aplicació en l’armament nuclear, i amb un reactor de fusió es pot produir plutoni 239 i urani 238.

Però més enllà d’aquestes opinions, de les diverses tècniques que competeixen, de trobar-nos davant l’envit científic i tecnològic més gran de la història, d’unes promeses que s’han de demostrar vàlides, i dels residus nuclears generats, l’aspecte que com més va més experts qüestionen és si la fusió nuclear té sentit enfront d’un sistema energètic completament renovable. Una tecnologia ja disponible i infinitament més senzilla: la fusió nuclear aspira a tenir un cost de 50 dòlars/MWh durant la dècada vinent. Ara com ara, l’energia solar i eòlica ja són més econòmiques. A més, la fusió nuclear es desenvoluparia en un model centralitzat de grans centrals que és superat per un model renovable descentralitzat, més resilient a les crisis com les que vivim, i que augmenta la independència energètica dels països i comunitats locals. Tothom pot tenir plaques solars, però no un reactor termonuclear.

La fusió nuclear pot representar la culminació del domini humà de les forces fonamentals de l’univers. Una fita científica i tecnològica extraordinària. Però, de la mateixa manera que els ordinadors quàntics, una volta reeixida, si és que s’assoleix mai, pot acabar essent una revolució inviable comercialment.