Fusió nuclear: utopia o realitat?

Els grans avenços científics o tecnològics sempre han estat precedits per utopies. Els humans de l’Edat de Pedra no podien imaginar com seria la seva vida a l’Edat de Ferro. Abans de la Revolució Industrial, tothom hauria titllat de boig Eiffel per voler construir la seva famosa torre. Al segle XIX imaginar un fluid elèctric circulant arreu per tenir llum i tantes coses més hauria semblat una quimera. Arribar a la Lluna era un tema literari abans de l’any 1969. I així podríem continuar amb molts més exemples.

Al segle XX els combustibles fòssils ens han convertit en addictes al consum d’energia i ha calgut que la natura ens donés un seriós avís per adonar-nos dels nostres excessos. La humanitat té un hàbitat limitat i s’enfrontarà a un repte inaudit si no canvia els seus procediments de manera radical. La terra és rodona i, per tant, té uns recursos limitats, i cal respectar les lleis físiques i ambientals que la governen. Com deia Albert Einstein: “No podem resoldre els nostres problemes fent i pensant el mateix que quan els vam crear”.

El creixement desmesurat del consum energètic (multiplicat per 8 vegades en els darrers 100 anys) ha estat possible perquè hem heretat recursos fòssils generats durant milions d’anys. Com a conseqüència, el CO2 enviat a l’atmosfera ha provocat una crisi climàtica sense precedents. El benestar generat, a més, ha fet créixer la població mundial a un ritme estrepitós (multiplicat per 4 en els darrers 100 anys) que encara fa més difícil aturar aquesta cursa embogida.

La pregunta que ens hem de fer és: ¿podem mantenir una vida digna i justa per a tota la humanitat sense tornar a les estretors energètiques de fa més de 100 anys?

Lligats a la fusió

Les energies renovables que ara estem implementant provenen de la nostra estrella, el Sol, en la qual la reacció de fusió de dos nuclis d’hidrogen genera un nucli d’heli al mateix temps que desprèn una energia colossal. La pervivència de l’espècie humana està, doncs, lligada a l’energia de fusió. Ara bé, només aprofitem els seus efectes a distància, ja sigui captant la llum que ens arriba i acciona les nostres plaques fotovoltaiques, ja sigui escalfant de forma diferencial l’atmosfera per generar el vent que fa girar els nostres molins eòlics.

¿No podríem posar un Sol en una ampolla aquí a la Terra i aprofitar de manera directa l’energia que alimenta els estels? Aquesta utopia ja es va plantejar als anys 50. Malauradament, però, ha anat sempre acompanyada per la predicció que encara ens faltaven 20 anys per fer-la possible.

La fusió necessita uns isòtops dels àtoms d’hidrogen —el deuteri, que podem aconseguir directament de l’aigua, i el triti, que podem generar al mateix reactor—. De fet, amb un litre d’aigua podem aconseguir la mateixa energia elèctrica que amb 300 quilos de carbó o amb 250 litres de petroli.

Durant la fusió no es generen residus radioactius de llarga durada com passa als reactors nuclears de fissió, i es tracta d’un procés que es pot mantenir en funcionament continu, sense les intermitències de la llum del sol, del vent o de l’aigua. En principi, per tant, la fusió podria assegurar la demanda basal d’electricitat, a la vegada que facilitaria el funcionament de centrals hidràuliques reversibles com a magatzem a gran escala d’energia elèctrica renovable.

D’altra banda, l’espai que es necessita per instal·lar els generadors de fusió és unes 100 vegades inferior al que cal per generar la mateixa energia amb plaques fotovoltaiques, cosa que reduiria l’enorme pressió ambiental i social sobre l’ús del territori natural.

Per què no estem, doncs, integrant la fusió a la nostra generació d’energia? La resposta és que encara cal dur a terme més recerca i desenvolupament que ho faci possible. Per fer viable qualsevol avenç o producte primer cal disposar dels materials adequats. En aquest cas, cal generar un plasma d’hidrogen (gas ionitzat) i mantenir-lo a una temperatura d’uns 150 milions de graus centígrads, una temperatura més alta que la del nostre Sol. Com podem aconseguir aquesta fita?

Superconductors d’alta temperatura

La resposta va venir de Rússia als anys 50, on van inventar una ampolla magnètica que pot guardar el plasma sense que toqui les parets. Se’n diu tokamak. Es tracta d’una espècie de dònut de plasma que queda confinat per camps magnètics molt intensos. Per generar aquests camps magnètics extraordinaris es va haver de recórrer a una altra gran troballa dels humans: la superconductivitat, un fenomen quàntic que permet transportar corrent elèctric sense pèrdues energètiques i, per tant, generar camps magnètics molt intensos que, per exemple, ja aprofitem als hospitals quan ens fem imatges de ressonància magnètica.

Per aquesta raó, a finals del segle XX la comunitat científica internacional va acordar crear l’International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), que s’acabarà de construir l'any que ve a la Provença francesa. Aquest reactor permetrà estudiar millor el comportament del plasma i determinar quins són els millors materials per al seu funcionament. Els reactors post-ITER són els que permetrien generar electricitat. Tot i així, la predicció fins ara era que no podríem disposar d’electricitat provinent de la fusió abans del 2050. La utopia, doncs, seguia sent a llarg termini.

Sobtadament, però, aquesta predicció ha canviat de manera dràstica. Els materials superconductors amb què es va dissenyar l’ITER eren els millors en aquell moment però, mentrestant, s’ha aconseguit desenvolupar un altre tipus d’imants més potents basats en els superconductors d’alta temperatura.

La superconductivitat d’alta temperatura es va descobrir l’any 1986 i des de llavors s’han anat perfeccionant els materials amb què es poden fabricar fils superconductors i, per tant, es poden transportar sense pèrdues corrents elèctrics més intensos, i també augmentar la intensitat dels camps magnètics que es poden generar.

En realitat, els superconductors d’alta temperatura també són d’alt camp magnètic: tenen el potencial d’augmentar de manera descomunal els camps magnètics que pot utilitzar la humanitat per a aplicacions molt diverses com la biomedicina o els motors i generadors elèctrics.

La fabricació dels fils superconductors d’alta temperatura s’ha beneficiat enormement dels avenços en el camp de la nanociència i la nanotecnologia i actualment es fabriquen fils amb llargàries quilomètriques en els quals s’han introduït nanopartícules que milloren les seves propietats quan treballen sota camps magnètics molt intensos.

Aquest desenvolupament científic ha sigut la llavor per a l’aparició d’una nova indústria superconductora d’alta tecnologia que ara està en condicions de contribuir a les demandes de la transició energètica verda, en particular a contribuir a fer de l’energia de la fusió nuclear una realitat.

Com que aquests nous materials superconductors d’alta temperatura permeten construir imants superintensos a temperatures més altes que les que s’utilitzen a l’ITER, l’avenç és doble: es pot duplicar el camp magnètic generat amb una despesa de refredament molt menor. En aquestes condicions, es pot disminuir 100 vegades el volum del tokamak respecte de l’ITER per obtenir la mateixa energia alhora que se’n redueix el cost en una proporció similar. És el que s’anomena fusió compacta

Cursa internacional per la fusió

Tot just s’acaba de començar una cursa internacional, d’un abast similar a la digitalització o la cursa espacial, per accelerar la consecució de la fusió compacta, qualificada en mitjans periodístics i científics internacionals com un pas molt esperançador en la resolució del repte energètic.

La iniciativa més avantatjada, que ja ha atret ingents inversions públiques i privades, és la que lidera el famós MIT (Massachusetts Institute of Technology), conjuntament amb l’empresa start-up derivada (Commonwealth Fusion Systems). Altres iniciatives, més incipients, s’estan portant a terme al Japó, a la Xina, al Regne Unit i, en menor mesura, a Europa.

La prospectiva del MIT és que tindran un reactor de fusió compacta funcionant el 2030 i, al llarg de la dècada del 2040, uns 10.000 reactors d’aquest tipus es podrien posar en marxa a tot el món per generar entre un 20 i un 30 per cent de l’energia elèctrica renovable mundial el 2050 (això és entre dues i tres vegades més de la que es produeix amb els reactors de fissió actuals).

Aquesta fita, no obstant, requereix revolucionar la indústria emergent dels materials superconductors d’alta temperatura, que haurà d’augmentar de manera extraordinària la seva capacitat de producció i reduir els costos dels fils superconductors. De fet, el primer prototip d’imant es va aconseguir multiplicant per 10 la producció mundial d’aquests materials. Ara caldrà també demostrar que els reactors compactes són capaços de ser estables i de generar entre 10 i 20 vegades més energia de la que es necessita per posar-los en funcionament.

¿Es tracta d’una quimera o d’una proposta raonable i realitzable? Com sempre, fer pronòstics sobre el futur és una feina molt arriscada que els científics no podem eludir, però en tot cas la fusió compacta ha obert la porta a mantenir un optimisme renovat sobre el destí de la humanitat que defuig els pronòstics més catastròfics sobre la nostra capacitat d’assolir la sostenibilitat.

No cal dir, però, que ser optimista sobre el futur a mitjà termini no ens allibera d’accelerar la transició energètica amb tots els recursos que tenim a l’abast. El repte a què ens enfrontem segueix sent, probablement, el més gran que mai ha tingut la humanitat.

Per aquesta raó, els objectius de la racionalització de l’ús de tots els recursos, la imposició de la sobrietat energètica i material en totes les nostres pràctiques, sobretot als països que més hem contribuït a la crisi climàtica, i la ràpida implementació de les fonts renovables de què disposem, s’han de convertir en norma d’obligat compliment de manera immediata. Aquests són els fonaments de la necessària justícia climàtica.

Tenim una nova oportunitat per convertir en realitat una utopia que sempre ha fet somiar la humanitat: acostar-nos al sol.