Audio y video de la entrevista en este link
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Entrevista con el doctor Raúl Donangelo, experto en física nuclear, investigador emérito del Programa de Desarrollo de las Ciencias Básicas e integrante de la Academia de Ciencias de América Latina.
EN PERSPECTIVA
Lunes 19.12.2022
EMILIANO COTELO (EC) —¿Es posible obtener una fuente de energía limpia e ilimitada?
La semana pasada, la ciencia dio un paso muy relevante en esa dirección, más importante que nunca en estos tiempos en que es imperioso romper la dependencia de los combustibles fósiles que ocasionan el calentamiento global.
El martes 13 de diciembre, el Departamento de Energía de Estados Unidos anunció un avance histórico en el campo de la fusión nuclear, un fenómeno que viene estudiándose desde hace 70 años.
Con la ayuda de rayos láseres ultrapotentes, científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, ubicado en California, provocaron por primera vez una fusión nuclear que liberó 1,5 veces más energía que la que se necesitó para lograr esa reacción.
La secretaria de Energía del gobierno de Estados Unidos, Jennifer Granholm, declaró en rueda de prensa que esta ganancia neta de energía figurará “en los libros de historia”, ya que abre las puertas para revolucionar en unos años la producción de energía limpia, abundante y segura.
Para poner el foco en esta gran noticia, entenderla y pasar en limpio las perspectivas que trae, vamos a conversar con el doctor Raúl Donangelo, ingeniero industrial graduado en la Universidad de la República (Udelar), doctor en Física por la Universidad de California en Berkeley, exprofesor del Instituto de Física en la Facultad de Ingeniería de la Udelar, donde se jubiló en marzo de este año. Además, es investigador emérito del Programa de Desarrollo de las Ciencias Básicas (PEDECIBA) E integrante de la Academia Nacional de Ciencias y de la Academia de Ciencias de América Latina.
En primer lugar, le pido una respuesta rápida para esta pregunta: ¿qué significó este logro para la comunidad científica?
RAÚL DONANGELO (RD) —Este acontecimiento fue visto como una demostración de que es posible obtener una cantidad de energía de la fusión nuclear 50 % mayor que la inyectada por los láseres que la provocaron.
EC —¿Para usted este es efectivamente un acontecimiento importante?
RD —No, creo que lo que vamos a hacer en la entrevista es relativizar este hecho.
EC —¿Relativizar?
RD —Sí, ponerlo en contexto. No creo que sea correcto decir que esto va a ser la solución para los problemas energéticos del futuro. Hay que analizarlo en detalle.
EC —Seguramente lo primero que conviene es explicar, lo más sencillo posible, qué es la fusión nuclear.
RD —La fusión nuclear consiste en considerar dos núcleos separados, darles energía para que se junten y puedan formar un único núcleo. Eso ocurre por ejemplo en el caso de la fusión que estamos estudiando, cuando un isótopo del hidrógeno, el deuterio, que tiene un protón y un neutrón, se junta con otro isótopo, el tritio, que tiene un protón y dos neutrones. Se juntan y producen una partícula alfa y otro neutrón. Esa partícula alfa es resultado de la fusión del deuterio y el tritio. Ese proceso es muy parecido al que ocurre dentro del Sol y las estrellas, solo que en ese caso las partículas están confinadas por el campo gravitacional. En la experiencia que estamos describiendo, se dice que la fusión es de tipo inercial, hay que empujarlos con los láseres para que se aprieten y se pueda llegar a la reacción.
EC —Y aparece liberación de energía.
RD —Aparece una liberación de energía muy grande por unidad de masa de las sustancias que intervienen. Es mucho mayor que en el caso de la fisión nuclear, por ejemplo del uranio, que cede energía cuando se divide en dos.
EC —Yo decía que hace 70 años que se investiga la fusión nuclear; ¿por qué?, ¿de dónde surge la inquietud por estudiar este fenómeno?
RD —Creo que se estudia desde hace 90 años, creo que en los años 30 se empezaron a estudiar procesos de este tipo, que dos núcleos relativamente livianos se funden para formar un núcleo único. La importancia mayor de este tipo de reacciones con núcleos relativamente livianos es entender el mecanismo de producción de energía de las estrellas, en particular del Sol. Las aplicaciones son un resultado adicional, lo importante de estas reacciones es entender la naturaleza.
EC —Es un fenómeno que no dominamos en su totalidad, a diferencia de la fisión, que ya tiene aplicaciones. ¿Es correcto?
RD —La fusión es relativamente simple y se ha estudiado durante 90 años. Para eso se usan aceleradores, porque el objetivo es estudiar los núcleos producidos, las secciones de choque, las energías de excitación, todos los resultados que son necesarios después para hacer los cálculos de la evolución de las estrellas. No hay que confundir el estudio de la fisión de la fusión como proceso con la aplicación de la fusión para producir energía. Eso sí que está muy en pañales.
EC —Me parecía bueno que aclaráramos la diferencia entre fusión y fisión nuclear.
RD —La fusión es cuando dos núcleos se unen formando un núcleo único. La fisión es cuando un núcleo se separa tal como puede imaginarse una cebra que se divide en dos y se forman dos núcleos, que además tienen energía cinética, por lo tanto energía que puede ser absorbida como es el caso de las bombas atómicas o los reactores convencionales.
EC —¿Algo más que le parezca oportuno agregar a propósito de esta diferencia entre una cosa y la otra?
RD —La fisión ocurre solamente con núcleos muy pesados, como plutonio o uranio. Mientras que la fusión ocurre solamente con núcleos muy leves, muy livianos, como los isótopos del hidrógeno.
EC —Volvamos a lo que ha sido noticia en estos días, la fusión nuclear. ¿Cómo se logra?
RD —En este caso la fusión se logró haciendo que un conjunto de láseres del orden de 192 incidieran toda su potencia sobre una cápsula del tamaño de una pastilla de omega 3.
EC —Son 192 rayos láseres.
RD —Sí, que se concentran en una región muy pequeña dentro de la cual está la mezcla de hidrógeno en forma de deuterio y tritio.
EC —Se utiliza ese mecanismo de los 192 rayos láseres porque se busca lo que ocurre en el Sol, se busca una cantidad de energía gigante.
RD —Sí, hay que recordar que cuando comienza la reacción se produce una gran cantidad de energía. La temperatura puede llegar a 150 millones de grados. Ese gas comprimido trata de expandirse, por eso la energía de los láseres es también para comprimir, para que no se expandan y dejen de existir las reacciones. Hay dos fuerzas ahí, la de los láseres que tienden a comprimir y la de la propia explosión que se produce en el interior de esa cápsula, que tiende a separar. Eso es lo que se trata de confinar, en todos los procesos de fusión en laboratorio el problema principal es el confinamiento.
EC —¿Puede explicar qué es el confinamiento?
RD —El confinamiento se da por ejemplo también en las bombas termonucleares, las llamadas bombas de hidrógeno. En ese caso se hace que explote una bomba atómica, una especie de cilindro hueco o esfera hueca de plutonio o de uranio 35, con explosivos convencionales se hace que imploda, se dirija con mucha fuerza hacia dentro. En el centro de esa esfera están esas sustancias, el deuterio y el tritio. En ese caso la alta temperatura es conseguida mediante la explosión de la bomba atómica convencional. Eventualmente se llega a las temperaturas necesarias para que la mezcla de gases de hidrógeno y tritio explote y el movimiento radial hacia dentro mantiene confinado ese gas que está tratando de expandirse.
EC —Ese es un caso.
RD —Ese es otro caso. Lo que se hace en la experiencia de Livermore es muy parecido a eso, solo que en lugar de usar una bomba convencional se usan láseres para concentrar el gas que está explotando.
EC —Pero no todas las reacciones de fusión producen la misma energía, ¿no?
RD —No, depende de los núcleos que intervienen. Si consideramos núcleos más pesados que los isótopos del hidrógeno mencionados, la energía producida por unidad de masa es menor. Por eso ese tipo de isótopos son los ideales para obtener energía.
EC —Hasta ahora la cantidad de energía necesaria para lograr la fusión nuclear era muchísimo más alta que la que resultaba del proceso mismo.
RD —Más o menos…
EC —Se lo pregunto porque la novedad es que esa relación se invirtió, por lo menos en condiciones de laboratorio. ¿Puede desarrollar este punto?
RD —Sí. La relación entre energía producida y energía suministrada anteriormente había llegado a un 70 %, o sea, se pasó de 70 % a 150 %. Pero es importante resaltar que lo que se está midiendo es la energía dada por los láseres y la energía térmica producida por la explosión, no energía eléctrica dada al sistema y energía eléctrica producida por el sistema. Esa diferencia es muy importante porque estos láseres que se utilizan son muy ineficientes, entonces para producir esos dos megajulios de energía sobre la muestra que está siendo bombardeada, son necesarios 300 megajulios. Eso es para producir 3. Desde ese punto de vista, la eficiencia sería de 1 %, no de 150 %. Además, la energía producida es energía térmica, no es energía eléctrica, no hay ninguna intención de utilizar este tipo de experimentos para producir energía eléctrica. Sabemos cómo transformar energía térmica en energía eléctrica, pero eso tiene una eficiencia mucho menor que 100 %, del orden del 30 %. Por eso se podría leer esta experiencia como diciendo: se inyectaron 300 megajulios de energía eléctrica para alimentar los láseres y el resultado fue 0 vatios de energía eléctrica producida por la explosión.
EC —En cuanto a la energía que se necesitó para activar los rayos láseres, esa que hace que el balance sea en definitiva deficitario, quienes han trabajado en esta experiencia están convencidos de que ese punto va a poder ser mejorado a relativamente corto plazo.
RD —Sí, sin duda. Pero eso es un desarrollo tecnológico muy grande.
EC —Usted señalaba que se produjeron unos 3,5 megajulios de energía usando 2,05, pero para activar los láseres se necesitaron antes 300 megajulios. Ahí está el problema.
RD —No, eso es parte del problema. Hay una cantidad enorme de problemas técnicos que tienen que resolverse antes de que se pueda hablar de producción de energía de esta manera.
EC —Es un desarrollo realizado en laboratorio, está claro que es una etapa en un proceso. ¿Por qué se lo ha destacado de una manera tan entusiasta como se lo hizo la semana pasada?
RD —El entusiasmo es relativo. Una cosa es que los políticos lo anuncien como resultado de avances en el laboratorio y otra es cómo lo presentan otros científicos. En el The Economist de esta semana hay un artículo que hace prácticamente el mismo tipo de consideraciones que estoy haciendo. O sea, no es una solución para el problema energético, no podemos decir “está resuelto el problema energético, no tenemos que preocuparnos más por el desarrollo de otras energías convencionales”. Por el contrario, lo que queda claro es la dificultad enorme para desarrollar esta técnica y la falta de garantías de que una vez desarrollada sea económicamente viable.
EC —Usted pone cautela en el análisis de esta novedad, que además se realiza en un laboratorio que obviamente tiene detrás una inversión monstruosa, una infraestructura enorme, del tamaño de un estadio de fútbol, como hemos visto en los videos que han estado acompañando nuestra charla. Hay acá un proyecto de largo plazo, enormemente costoso, que por ahora logra este resultado que usted relativiza.
RD —No relativizo el resultado sino las perspectivas de que sea una solución para el problema energético. Recuerde además que esta facilidad en National Ignition Facility ha sido diseñada no para producir energía a través de la fusión, sino para hacer test que permitan obtener información sobre el desarrollo de bombas de hidrógeno. Ya que están prohibidas las experiencias con bombas de hidrógeno, la forma de conseguir datos es a través de estas simulaciones de explosión de bombas de hidrógeno que son esas experiencias como la que fue publicitada la semana pasada. Entonces enfatizaría que hay experiencias de fusión diferentes, mucho más avanzadas en el mundo, basadas en principios diferentes y que también han tenido progresos muy importantes en los últimos días.
EC —¿Cuál destaca, por ejemplo?
RD —Destaco sobre todo que el Joint European Torus en Inglaterra consiguió mantener por confinamiento magnético, tokamak, una reacción de fusión en cadena durante un período de cinco segundos.
EC —Esta es otra técnica, el confinamiento magnético.
RD —Es completamente diferente. Esos instrumentos se llaman tokamak, tienen forma de toro, una rosca con bobinas que crean un campo magnético. El gas de esa mezcla de hidrógeno deuterio e hidrógeno tritio es calentado con una corriente eléctrica y llega también a temperaturas del orden de cientos de millones de grados centígrados. El campo magnético sirve para que las partículas queden confinadas dentro del toro y no se dispersen. Es un procedimiento físico radicalmente diferente. En este sentido hay inversiones mucho mayores. Como dije, esta experiencia de la facilidad de ignición de Livermore ha sido derivada de la investigación en el desarrollo de armas termonucleares, mientras que el tipo de aparatos basados en las tokamak son dedicados desde su comienzo a la investigación y la producción de energía.
EC —El caso de la semana pasada es un desarrollo producido en Estados Unidos, el que usted estaba comentando ahora es una iniciativa francobritánica.
RD —Creo que es británica, no sé si es francobritánica. Hay varias, hay un desarrollo mucho mayor en Francia, pero que todavía no está en condiciones de operar.
EC —¿Qué hay que concluir? ¿Que estamos asistiendo a una carrera en procura de resultados en cuanto a este fenómeno de la fusión nuclear?
RD —No, no hay una competición, creo que hay una colaboración muy grande entre los países. En el proyecto de Francia intervienen 35 países, muchos países de Europa, pero también Estados Unidos, Corea, Japón. Creo que lo que hay es una colaboración para resolver un problema científico común.
EC —Pero en definitiva uno de los objetivos es producir energía alternativa.
RD —Sí, ver la viabilidad de producción de energía.
EC —Estamos hablando de energía con una serie de ventajas: ilimitada, limpia…
RD —Lo de que es ilimitada es un cálculo simple, es que si uno considera la cantidad de deuterio que tiene el agua de mar y se lo transforma en energía por ese procedimiento que dije, el agua de mar tendría el mismo poder calorífico que la gasolina, se podría sacar tanta energía como si los océanos estuvieran constituidos por gasolina. Pero, de vuelta, que esté ahí la energía no significa que sea fácil extraerla. El tritio es un material que no existe en la naturaleza, es radiactivo, tiene una vida media de 12 años y producirlo requiere energía u otro tipo de reacciones. Se puede crear tritio con aceleradores o también con reactores nucleares, haciendo que los neutrones del acelerador incidan sobre átomos de litio y los transformen en alfa más tritio. Esas consideraciones son las que al final van a decidir si este proceso, que estoy seguro de que va a ser desarrollado y va a ser viable en términos de producción de energía, va a ser también económicamente viable. Para mí el gran problema es la gran incertidumbre acerca de si esta fuente de energía que en principio es ilimitada y muy limpia es económicamente posible.
EC —Limpia, detengámonos en ese otro concepto. ¿Qué quiere decir en este caso?
RD —Significa que cuando uno apaga un reactor termonuclear acaba todo, no se produce más energía, no hay más emisión, no hay más altas temperaturas, no hay emisión de neutrones. No es como en la fisión, en que los resultados son núcleos altamente radiactivos, que demoran siglos en decaer, que constituyen un problema a la hora de disponer sus residuos. Eso no ocurre en el caso de la fusión, porque lo que se produce es energía, partículas alfa, que en el fondo son núcleos de helio que no son radiactivos, y nada más. Desde el punto de vista de la seguridad de no producción de residuos radiactivos es perfecto.
EC —Tampoco hay emisiones.
RD —No, no se produce ningún tipo de sustancia que pueda ser tóxica o perjudicial para la salud.
EC —También se ha hablado de una fuente de energía segura. ¿A qué se refiere?
RD —Es segura en el sentido de que uno la apaga y se acabó. En el caso de un reactor uno no puede decir “lo apago”, requiere un proceso muy cuidadoso de introducir barras de control, si falla la introducción de esas barras de control pueden ocurrir accidentes como el de Chernóbil, de descontrol. Eso no puede ocurrir en un eventual reactor de fusión, por suerte. Desde mi punto de vista, la gran incertidumbre sobre este tipo de reactores es si la resolución de los problemas técnicos no va a resultar en un producto muy caro.
EC —Hablando de seguridad, hemos hablado de las temperaturas que están en juego para producir la fusión, altísimas, muy altas.
RD —Sí, cientos de millones de grados.
EC —¿Ahí no hay riesgos implícitos?
RD —No, porque la cantidad de materia involucrada es muy pequeña, entonces esa cantidad de energía se disipa muy rápidamente. Justamente, se ponen todas esas bobinas o se colocan láseres para comprimirla, porque si se dejara que se expandiera libremente la temperatura caería rápidamente a niveles muy bajos. Para poder mantener la fusión es necesario llegar a esas temperaturas y la dificultad técnica está en conservarlas. Ningún tipo de accidente puede ocurrir con esas sustancias que están calientes, simplemente porque la cantidad de masa involucrada es muy pequeña.
EC —¿Qué es lo que avizora que vendrá? ¿En qué plazos? ¿Con qué tecnología?
RD —En el experimento que mencioné que ocurre en Inglaterra, el Joint Experimental Torus, estiman que en 20 años van a tener un reactor comercial basado en ese principio de los tokamak.
EC —En 20 años tendrán un reactor comercial. ¿Qué significa?
RD —Un reactor que produce energía eléctrica para consumo humano. O sea que va a ser un reactor del tipo de los reactores nucleares que hay actualmente o de las estaciones termonucleares convencionales, pero basado en la fusión.
Pero tomaría ese tipo de afirmaciones con un poco de sal, porque cuando empecé a hacer el doctorado, tenía como orientador académico a un físico de Holanda que trabajaba en estos temas y me decía que estimaba que en 30 años se iba a desarrollar un reactor comercial. Cuando acabé el doctorado fui a saludarlo y le pregunté cómo estaba la situación cuatro años después, y dijo que faltaban todavía 30 años y que iba a ser muy grande. Todos los plazos previstos que he visto hasta ahora para tener un producto han sido todos extremadamente optimistas. Entonces apostaría a que esos 20 años estimados van a ser más, no sé cuántos.
También quiero referirme al proyecto europeo ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Fue un consorcio formado en 2007 con un presupuesto inicial de 6.000 millones de euros que se esperaba que se construyera en 10 años, pero actualmente se espera que esté concluido en el año 2025 y el costo es mucho mayor, ya superó los 20.000 millones de euros y podría llegar a más de 60.000 millones. Entonces, de vuelta, es un proyecto que posiblemente marque las bases de un posible desarrollo de un reactor comercial, pero los tiempos son muy largos y las estimaciones hechas hasta ahora siempre han pecado de optimistas. Creo que no hay que estar esperando […] hasta que esto ocurra, sino que hay que mantener el énfasis en desarrollar energías renovables como la hidráulica, la solar, la eólica.
EC —Este es otro camino que está en curso pero hay que darle tiempo, mucho tiempo.
RD —Hay que darle tiempo, analizar con cuidado los resultados y no pensar que porque se hizo una experiencia y salió más energía de la que entró significa que el problema está resuelto.
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Transcripción: María Lila Ltaif
