Siglo XXI, El siglo de la energía nuclear

Eugenio G. Araya

Físico

Marie Curie es la única persona que ha ganado dos premios Nobel en dos disciplinas distintas, Física y Química. La señora Curie era originalmente polaca nacida en Varsovia. El matrimonio de Pierre y Marie Curie fue pionero en la radioactividad a finales del siglo XIX y en los primeros años del siglo XX. Ellos trabajaron con herramientas y equipos rudimentarios; inimaginable lo que personas como ellos lograrían con los equipos que tenemos hoy.

Un poco más adelante, físicos como Niels Bohr y Werner Heisenberg continuaron investigaciones sobre la física atómica, pero fue hasta que Erwin Shrödinger y Enrico Fermi hicieran importantes aportes a la física cuántica cuando se tuvo una más clara idea de cómo es realmente un átomo y su núcleo. Más tarde Dirac acuñaría el término fermiones en honor a Fermi, dando el nombre a las verdaderas partículas que son los ladrillos que forman todo el universo. Es una verdadera pena que un siglo después se continúe enseñando en las escuelas de todo el planeta que son los electrones, protones y neutrones las partículas elementales, cuando sabemos de la existencia y comportamiento de los fermiones desde la primera década del siglo pasado.

Con el conocimiento que teníamos en los años 40 se hicieron los primeros ensayos y fueron los rusos los primeros en dar un uso civil a la energía nuclear cuando el 26 de junio de 1954 entró en operación la primera central nuclear del mundo para producir electricidad en Óbsninsk, Rusia.

Posteriormente, en octubre de 1956, el Reino Unido inauguró la central nuclear de Calder Hall, considerada la primera central nuclear comercial destinada a la producción de electricidad a gran escala. Durante las décadas de 1960 y 1970, la energía nuclear experimentó una expansión significativa en países industrializados como Estados Unidos, Francia, Alemania y Japón, impulsada por la creciente demanda eléctrica y la búsqueda de independencia energética. Sin embargo, este crecimiento se vio afectado por incidentes como el accidente de Three Mile Island en Estados Unidos en 1979 y el desastre de Chernóbil en Ucrania en 1986, que generaron preocupaciones sobre la seguridad nuclear y llevaron a una reevaluación de las políticas energéticas en muchos países.

A pesar de estos desafíos, la energía nuclear ha mantenido un papel importante en la matriz energética global. Según datos del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), hasta diciembre de 2022, había 422 reactores nucleares en operación en 33 países, aportando alrededor del 10,5% de la electricidad mundial. Además, 58 reactores estaban en construcción en 18 países, con China, India, Rusia y Turquía liderando estos proyectos.

Hasta hoy todas las centrales nucleares son de fisión nuclear, un proceso en el que los átomos de elementos pesados como uranio o plutonio son bombardeados con neutrones para lograr partirlos -fisionarlos- liberando grandes cantidades de energía que se transforma en electricidad. Ya acumulamos 70 años de experiencia en la energía de fisión nuclear y los reactores de hoy son muchas veces más seguros que los de mediados del siglo anterior. Al igual que en otras tecnologías, los errores nos han dejado grandes enseñanzas y nos han permitido construir reactores de cuarta generación, con varios sistemas de enfriamiento avanzados y sistemas de seguridad basados en los accidentes más recientes.

Sin embargo, hoy día los grandes esfuerzos científicos, técnicos y financieros se centran en la fusión nuclear, un proceso en que átomos de hidrógeno, el elemento más liviano y que más existe en el universo, se unen -fusionan- para formar átomos de helio, liberando grandes cantidades de energía que se puede transformar en electricidad.

La historia de la fusión nuclear es un recorrido fascinante por la búsqueda de una fuente de energía limpia e ilimitada, basada en los mismos procesos que ocurren en el Sol y otras estrellas, que inicia en los albores del siglo XX. Tan temprano como en 1920, el astrofísico británico Arthur Eddington propuso que las estrellas obtenían su energía de la fusión de hidrógeno en helio.

En 1951, Lyman Spitzer propuso el concepto del Stellarator, un dispositivo para confinar plasma con campos magnéticos. En 1958, la Unión Soviética anunció el desarrollo del Tokamak, un reactor de fusión más eficiente, desarrollado por Andréi Sajarov e Ígor Tam. Durante las décadas de 1960 y 1970, el tokamak se convirtió en el diseño más prometedor, con avances en confinamiento magnético del plasma. La palabra tokamak es un acrónimo del idioma ruso, y la forma del aparato es como una dona en cuyo interior se contiene el plasma a temperaturas de millones de grados centígrados.

En 1985, se propuso el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), un esfuerzo global para desarrollar un reactor de fusión viable. En 1997, el reactor JET (Joint European Torus) en el Reino Unido estableció un récord de producción de energía de fusión.

En 2022, el National Ignition Facility (NIF) en EE.UU. logró por primera vez un balance energético positivo, generando más energía de la que consumió el proceso. China, Europa y empresas privadas como Helion y Commonwealth Fusion Systems están desarrollando nuevas tecnologías para lograr la fusión comercial en las próximas décadas.

Mi percepción es que las plantas de fusión nuclear serán las que dominen la tecnología por varias razones. La más importante es que no generan basura radioactiva, ya que su residuo es simplemente gas helio. La segunda y no menos importante es que no hay posibilidad de accidentes porque apagar un fusionador es casi igual que apagar una olla arrocera, sencillamente se desconecta la electricidad que lo alimenta y la reacción se detiene.

Me causa gran ilusión que hoy día convergen los esfuerzos de los físicos e ingenieros en el mundo con billones de dólares de los inversionistas alrededor del planeta para financiar proyectos de fusión nuclear en todos los continentes. Sin duda alcanzaremos la fusión nuclear positiva con grandes producciones de energía eléctrica abundante y barata en pocos lustros.

Paralelamente, varias empresas en Estados Unidos, Europa, China y Japón avanzan a paso firme en el desarrollo de SMR’s (Ractores modulares pequeños por sus siglas en inglés) que son tan pequeños que caben dentro de un contenedor, pero capaces de alimentar ciudades enteras, zonas industriales, centros de producción de nuevas tecnologías, grandes centros de datos o grandes conjuntos de computadores que prosperan en inteligencia artificial.

La demanda de energía crece de manera exponencial en el mundo, como lo ha hecho en los últimos 200 años de los que tenemos registros precisos. Solo en Costa Rica una persona hoy consume muchas veces más energía por día de lo que una persona consumía apenas hace 70 años.

No hay forma de abastecer la creciente demanda de energía con las formas tradicionales que la humanidad ha utilizado hasta ahora. No podemos depender de fuentes que varíen por efectos climáticos o que produzcan solo durante el día y por la noche no. Requerimos energía abundante las 24 horas del día los 365 días del año. Igual que usted quiere encender la luz en su casa o hacer un café todos los días, las grandes fábricas y centros de datos también lo requieren 24/365.

No tengo ninguna duda de que un porcentaje muy alto de la energía que tendremos en la segunda mitad del siglo XXI será producida por centrales nucleares, que serán seguras, confiables y eficientes. Con diferentes modelos y tamaños serán comunes en todos los países del mundo para bien de las personas de todos esos países y el desarrollo de la humanidad como tal.

Ya hemos alcanzado el nivel tecnológico para dominar a nuestro favor la energía de las estrellas. Esto representa un salto gigantesco que significa a su vez un punto de inflexión en la curva de desarrollo de la raza humana. Con esta tecnología y con estos volúmenes de energía estaremos preparados para hacer las transiciones energéticas necesarias para iniciar el proceso de sustitución del petróleo y de agigantar la producción bienes y propulsar la logística en toda la Tierra.

El Siglo XXI será el siglo de la energía nuclear.