Juan Moreno (Fundación Bankinter): "La energía de fusión [nuclear] es ya cuestión de ingeniería"

“Cuando yo estudié, hace ya 55 años, con una parte de energética y algunos temas sobre fusión [nuclear], ya me decían que en 20 años estaría funcionando”, señala Jaime Domínguez, presidente de la Real Academia de Ingeniería (RAING). “Eso ha seguido así hasta hace aproximadamente diez, quince años.

Y ahora la constante ha dejado de ser constante y ha pasado a ser una variable, que está disminuyendo su valor”. La energía de fusión, la gran esperanza energética del futuro, ha convivido desde siempre con esa “constante” jocosa, que otros sectores de la física situaban, habitualmente, en un valor de “dentro de 50 años”.

Una “constante universal” que según el vicepresidente de la RAING y, a la vez, presidente de la fundación de Bankinter, Juan Antonio Zufiría, “ha hecho que en todas las conversaciones de transición energética haya desaparecido la fusión. Hablamos de los paneles solares, de los molinos de viento, todo ese tipo de cosas, las baterías... La fusión no está. Y la gente tiene que saber que esto existe. Que está más cerca de lo que se pensaba y, lo que es más importante, que la distancia al éxito depende de lo que hagamos. Creo que es la única fuente de energía sostenible que puede hacer Europa independiente energéticamente”.

La startup española, favorita de los noruegos, que anticipa el rendimiento de las plantas de hidrógeno verde

Puestos en la tesis expuesta por Juan Moreno, director general de la fundación, de que la fusión ya “es un problema de ingeniería, con todo el respeto a los físicos que han hecho una labor brutal para llevarnos hasta aquí. Esto empieza a ser un problema de industrialización, de buscar escala, de costes, de procesos…”, la cuestión es que los avances se aceleran por la entrada de empresas y capitales privados.

Entidades que buscan resultados con más prisa y objetivos prácticos que el enorme experimento científico que se espera del ITER. “Microsoft ha firmado con Helium para, en dos años, en el año 28, tener suministro de energía de fusión para su centro proceso de datos. Probablemente fallará, pero estamos ahí….”, apunta Zufiría.

“Esto empieza a ser un problema de industrialización, de buscar escalas, de costes y de procesos” 

Juan Moreno Zufiría, presidente de la Fundación de Bankinter

Un dato importante de la sesión que la RAING dedicó al momento de la fusión nuclear es la presencia en este campo de dos españolas que lideran proyectos muy relevantes en Estados Unidos y Reino Unido. Una es Sehila González, con un amplio currículum que empieza con la titulación de “física de material” por la Universidad Complutense, doctorada en “materiales para la fusión” en el CIEMAT y en la actualidad directora del programa de fusión del think tank estadounidense Clean Air Task Force.

Y la otra, Itxaso Ariza, ingeniera industrial de diseño mecánico por la Universidad de Bilbao, que empezó su trabajo en automoción, siguió con energías renovables en Sener, se fue a Inglaterra hace 21 años con Rolls Royce, para sumergirse en el mundo de la aviación, y desde hace dos años está en una spinoff de la Universidad de Oxford, Tokamak Energy, donde es la CTO, fundada “especialmente para desarrollar tokamaks esféricos”.

Itxaso Ariza durante su intervención.

El tokamak es uno de los posibles modelos de reactor de fusión, probablemente el más cercano al éxito, basado en la creación de campos magnéticos para que dentro de una cámara circular “con forma de donut” un plasma que contiene átomos de deuterio y tritio (ambos, isótopos del hidrógeno) gire a altísima velocidad y alcanzando brutales temperaturas de hasta 150 millones de grados, esos átomos se fusionen entre sí, creando átomos de helio y liberando grandes cantidades de energía en el proceso.

Es reproducir en la Tierra el fenómeno que desde hace millones años se ejecuta de manera natural en el Sol liberando la energía que da vida a nuestro planeta. Crear un sol en la Tierra

Otras variantes de reactor de fusión son el estelerator, también basado en campos magnéticos, pero con una extraña forma que podría recordar una caracola (en Madrid hay uno, en el CIEMAT).

Y los de fusión inercial, como el del laboratorio nacional estadounidense de Lawrence Livermore, que concentra potentísimos láseres sobre “un pellet de combustible”, dice Moreno, para comprimirlo y lograr la reacción en cadena. Otra variante es la de “magnetic mirrors, de la empresa Realta, un spinoff de la Universidad de Wisconsin”, comenta Ariza.

Moreno, Gonzalez, García Muños y Ariza en una de las mesas redondas.

La fusión es una reacción de la que no se derivan residuos nucleares del tipo de las centrales nucleares de fisión (donde se rompen los átomos de uranio). “Es una energía en la que no hay ningún tipo de emisiones, no hay emisiones de CO2, ningún tipo de problema de efecto invernadero”, señala González.

Pero añade: “No me gusta decir que es una energía completamente limpia, porque sí que se produce un nivel de low level rate waste (residuos de bajo nivel). Quien diga que no se produce ningún tipo de residuo está mintiendo”. El tritio es un elemento radiactivo con un periodo de semidesintegración de 12 años y durante el proceso de fusión se liberan neutrones rápidos, que bombardean la pared interior del donut. Esta ha de estar protegida por una capa (“blanket”) que los absorbe. 

Lawson y el triple producto

Otra ventaja que describe González es que “lo complicado es llegar a las condiciones necesarias para que se dé la reacción. Si no llega a esas condiciones, simplemente la reacción no se da y la máquina no funciona. No tiene ningún tipo de reacción en cadena [descontrolada], es intrínsecamente segura”.

Y, además, “es una fuente firme de energía. Da energía veinticuatro-siete [todas las horas de todos los días de la semana], síncrona y sin problema. Esto que aquí en España hemos sufrido hace un año y que en Estados Unidos está a la orden del día. Los centros de datos están dispuestos a pagar un poco más por la energía, siempre que les asegures energía firme vienticuatro-siete. La fusión puede servir de respaldo a las renovables, que también son necesarias. No me gusta decir que la única verdad y la única solución es la fusión, pero sí que te permite introducir en tu mix energético una herramienta de estabilidad de todo el sistema”.

La cuestión clave es que el proceso consiste en que “dos núcleos ligeros se unen para vencer la fuerza de repulsión y necesitamos meterle un montón de energía al sistema. Esa energía tiene que durar el tiempo suficiente y las partículas tienen que ser las suficientes para que se produzcan choques que hagan posible la fusión”.  Y esto “explicado a grandes rasgos y muy poco científicamente, es lo que se llama el triple producto, que tiene que cumplir lo que se llama el criterio de Lawson: que la temperatura del sistema, la densidad de partículas del sistema y el tiempo en que todo ello se da tiene que ser mayor que ese producto. Y si no es mayor, no se genera energía”.

En otras palabras, el santo grial buscado es producir unas condiciones en las que inyectando una cantidad de energía al reactor produzca a su vez una salida de energía en mayor cantidad que la recibida. Generalmente, calor que puede aplicarse al agua con el efecto típico de la máquina de vapor que puede, por ejemplo, mover una turbina y generar electricidad. El éxito será que es cantidad de energía mayor que la consumida en el proceso pueda sostenerse de manera continuada y a voluntad. González se muestra convencida de que “en un par de años” el reactor SPARC, de Commonwealth Fusion Systems, construido en colaboración con el MIT Plasma Science and Fusion Center, en Devens, Massachusetts, “va a ser capaz de generar energía”.

Igualmente declara con convencimiento que, “con la curva de aprendizaje los ingenieros van a tomar el control, con tecnologías y herramientas que hace diez, 15 años, ni existían ni se preveían”. Entre ellas los imanes de alta temperatura y alto campo, con los que se pueden construir máquinas de fusión más pequeñas y más compactas. “Lo que antes te costaba cierto capital, ahora te cueste mucho menos. Lo que antes llevaba diez años construirlo ahora es mucho menos, porque la máquina es más compacta y más pequeña”.

Ese tipo de imanes de “alta temperatura” facilita que los materiales superconductores, que ahora para funcionar requieren temperaturas criogénicas de unos 200 grados bajo cero, lo hacen con 20 grados más. Es decir, a 180 grados bajo cero. Y la diferencia es enorme. “Es súper importante porque cuanto más campo magnético le puedas meter, más comprimes el plasma dentro del ‘triple producto’, aumentas la densidad y consigues la fusión más fácilmente” asegura Moreno.

Y otro elemento es “la inteligencia artificial, que ayuda al desarrollo de nuevas tecnologías. Commonwealth Fusion System, ha hecho equipo con Nvidia y con Siemens para hacer gemelos digitales. Dice su CEO que no son gemelos digitales: ‘nosotros lo hacemos primero en digital y luego lo construimos. Puedo modelar y optimizar todo en un ordenador, mucho más rápido, mucho más barato y construyo mi último prototipo’”, añade González.

Un 'tokamak' en Sevilla

Manuel García Muñoz, profesor de la Universidad de Sevilla, doctorado en la Universidad Maximilian de Munich y el Instituto Max Plant para Física del Plasma, es líder de la spinoff Smart Fusion Energy “que nace con el objetivo de desarrollar el reactor de fusión más compacto y eficiente posible. El primer pasito es el Tokamak Smart que hemos construido en la Universidad de Sevilla. Podemos sentirnos, todos muy orgullosos de que es un tokamak diseñado y construido made in Spain”.

Una gran novedad es que en el tipo de tokamak que se puede considerar tradicional, el donut por cuyo interior circula el plasma a enorme velocidad y presión, tiene la forma de la letra ‘D’ mayúscula. Es decir, básicamente tiene una pared casi recta hacia el borde interior, en torno a la columna central de la máquina, que es un potente imán solenoide, mientras que la parte que da hacia el exterior del anillo tiene una forma curva. “La columna central de un reactor de fusión está sometida a unos esfuerzos en torno a los 800 megapascales”, precisa García Muñoz.

Manuel García Muñoz es profesor de la Universidad de Sevilla, doctorado en la Universidad Maximilian de Munich y el Instituto Max Plant para Física del Plasma, es líder de la spinoff Smart Fusion Energy.

Para mejorar ese equilibrio de fuerzas y que el acero de la columna central no esté a punto de “convertirse en plastilina” por el esfuerzo, Smart Fusion Energy ha reinventado el donut y, en su diseño, la ‘D’ ha virado en modo espejo. La parte curvada está ahora en la parte interior, hacia la columna central, y la parte más recta, hacia el exterior. La sección de ese anillo no es caprichosa, está diseñada para facilitar la circulación del plasma impulsado por los campos magnéticos toroidales y poloidales que rodean al reactor, pero al invertir el diseño con una “triangularidad negativa” reduce notablemente esa tensión: “El plasma, en lugar de estar pegado a la columna central, le das la vuelta y dejas más espacio para sacar el calor por otro lado”.

García Muñoz resalta “tres tecnologías que funcionan por separado” y juntas permiten construir máquinas de fusión más pequeñas y eficaces:  el “small aspect ratio tokamak, o spherical tokamak”; el diseño de “triangularidad negativa”, la ‘D’ invertida; y los superconductores de alta temperatura. “No tiene nada que ver tener un sistema trabajando a cuatro [grados] Kelvin que trabajando a 20 Kelvin. Te ahorras un gasto enorme y además consigues trabajar a 20 teslas, con lo que aumentas el campo magnético de tu máquina”.

En Smart Fusion Energy, spinoff de la Universidad de Sevilla, la cámara interior donde se genera el plasma se convierte en una ‘D’ invertida para aliviar tensión a la columna central

Itxaso Ariza, la CTO de Tokamak Energy, coincide con García Muñoz en las ventajas que su empresa y Agencia Atómica Británica aprecian en el diseño esférico. 

“Vieron que tiene muchas mejoras, muchas ventajas en comparación con otro tipo de reactores y decidieron que mientras todo el dinero público se estaba metiendo en JET, que es un tokamak convencional, ellos iban a ir a por lo suyo y se iban a centrar en dos cosas: tokamaks esféricos y superconductores de alta temperatura”.  El reactor JET batió en diciembre de 2021un récord de fusión sostenida durante cinco segundos; cumplió su hito y ya está desmantelado.

Con imanes de ‘alta temperatura’ y un tokamak de diseño esférico, señalan los expertos, se pueden construir máquinas más pequeñas, más baratas y en menos tiempo

Ariza recuerda que llegar a ver la fusión nuclear fue el deseo expresado por Stephen Hawking, cuando le preguntaron cuál sería el hallazgo que más le gustaría. El fallecido genio indicó que será “la fuente ilimitada de energía que no contamina y no produce calentamiento global”.

Explica el nombre del reactor ST40 de la compañía en la que ella es jefa de tecnología, construido en Oxford: “El cuarenta se refiere a 40 centímetros de radio desde el centro de la máquina al centro del plasma. Es un tokamak realmente muy pequeño y son los elementos auxiliares los que hacen que al final el edificio [que lo contiene] tenga diez metros. En 2022 se consiguieron temperaturas de plasma certificadas por Princeton y por todos los académicos del mundo de cien millones de grados centígrados. En una máquina enana. Es la temperatura mínima que se considera que puede conseguir fusión entre deuterio y tritio en la Tierra. Todo el mundo habla de que el tokamak esférico ST40 recreó las condiciones del Sol en la Tierra”.

Hora de aplicar ingeniería de sistemas

“Cada pulso [tiempo encendido] del ST40 dura unos 250 milisegundos y la parte de alto rendimiento unos 150 milisegundos. El Sol no produce fusión durante 150 milisegundos. Está continuamente produciendo las condiciones de la fusión. El reto es ahora cómo hacer que lo que ya se ha conseguido en diferentes reactores sea comercialmente viable. He dicho que en ST40 conseguimos plasmas de 250 milisegundos: está limitado por la columna central, porque está hecha de cobre, no de superconductores. Con superconductores conseguiríamos pulsos mucho más largos. En Spark, que tiene superconductores, están hablando de pulsos de diez segundos con una parte de alto rendimiento de cuatro segundos. Sí que es verdad que el problema es de ingeniería”.

“Todos estos pequeños empujones que se están dando a la fusión, todos, son importantísimos. Pero, siempre, desde la perspectiva de un ingeniero ves lo que todavía no sabes”, prosigue Ariza. “Hace un año estuve hablando con un físico de plasma de MIT, una eminencia de su campo, y me dijo que él pensaba que la parte de la física de plasma de un Tokamak está a nivel de madurez tecnológica de seis. Básicamente que el plasma funciona en las condiciones de servicio. A mí, como ingeniero, me parece que no. Para decir que está a seis tiene que poder hacer el plasma en pulsos más largos. La estructura tiene que aguantar las fuerzas. Este chico con el que hablé es muchísimo más inteligente que yo y sabe muchísimo más de física que yo. Pero no tiene ciertos ciertas perspectivas que yo, con veinte años en aviación, puedo tener”.

No obstante, Ariza reconoce que la fusión ha llegado al punto actual por una perseverancia de los físicos investigadores, para obtener el rendimiento del plasma, para la que quizás los ingenieros, al menos ella, no habrían tenido paciencia suficiente. Dicho esto, también estima que “las cosas que fallan o faltan en fusión no están en la ciencia del plasma, sino en la ingeniería de sistemas, en los materiales, en las estructuras, en la fabricación, en la integración. Y en esas cosas, los ingenieros sí que pueden ayudar. Pueden ayudar muchísimo”.

Percibe una cierta falta de madurez, en el sentido práctico del desarrollo: “¿Cómo se madura una industria? Con experiencia y con tiempo. La aviación, la automoción llevan mucho tiempo cometiendo errores y se aprende mucho más de cometer errores que de los éxitos. Manolo [García Muñoz] ha dicho que no se ha construido ninguna máquina en mucho tiempo, pues cuantas más se construyan y más errores cometamos, mucho mejor, porque aprenderemos más. El problema de la fusión es que cada vez que se comete un error, todo el mundo dice que no funciona. Bueno: la aviación no funcionó en diez años, ni en veinte ni en treinta. La única forma de acelerar esa madurez es traer gente con experiencia de otras industrias y de otros ámbitos”.

Juan Moreno, Jaime Domínguez y Juan Antonio Zufiría.

Ariza pone como ejemplo “las mantas”, los “breathing blankets”, que han de absorber los neutrones sobrantes. “Creo que van a funcionar, pero igual no en la forma en la que están diseñadas ahora. Igual el diseño tiene que ser adaptado para que realmente sea más práctico. Los científicos lo han imaginado basados en principios científicos y han diseñado unas mantas que son como las paredes del reactor, para cumplir cuatro o cinco funciones. Parece bastante complicado. No significa que no vaya a funcionar, sino que, si el problema es tan complicado, igual lo podemos solucionar haciendo un poco de segregación de funciones. O empezar a demostrar una parte y luego la otra...”.

Su planteamiento puede resumirse en que ante problemas diferentes hay que pensar de manera diferente. Y eso incluye otra cuestión de máxima relevancia: las regulaciones. “En Francia decidieron que iban a aplicar regulación de fisión, más o menos, a la fusión. Probablemente no sea lo mejor. En Inglaterra han simplificado mucho la regulación y la han hecho diferente para facilitar la fusión, probablemente porque tenían a JET allí. En España todavía no hay regulación específica… Pero todo el mundo se centra en la regulación de fusión. Nadie ha pensado los cambios que hacen falta en las otras regulaciones. Por ejemplo, control de exportación, basado en cómo definimos los aparatos que pueden generar proliferación.  La ley inglesa, dice: todas las tecnologías, todos los diseños, todos los conceptos, toda la información que tengas que pueda facilitar el diseño de un reactor capaz de producir tritio están controladas para exportación...”.

Moreno resuelve el último punto con una especie de petición: “Necesitamos ya, urgentemente, una regulación específica. No favorable, sino específica para la fusión. Una regulación a medida”.