Alrededor de la 1 de la mañana del lunes 5 de diciembre de 2022, el láser más grande y potente del mundo (un arreglo de 192 haces de luz que ocupa una extensión de cerca de tres campos de fútbol) fue dirigido, a intervalos de tiempo y energía cuidadosamente programados, hacia una cápsula de diamante de aproximadamente medio centímetro de diámetro y 100 veces más lisa que un espejo. El interior de la cápsula contenía, a manera de combustible, deuterio y tritio, isótopos del hidrógeno, el elemento químico más abundante del universo y combustible de las estrellas. La energía del láser es lo suficientemente potente para crear rayos X, los cuales comprimieron el combustible a 10 mil veces menos de su tamaño original, alcanzando temperaturas 10 veces superiores a las observadas en el centro del Sol. A estas temperaturas se forma plasma (gas altamente ionizado; el cuarto estado de la materia) que promueve reacciones de fusión nuclear. Todo el experimento tomó apenas una billonésima de segundo.
Una vez finalizado, los sistemas computacionales recolectaron los datos y los enviaron a los encargados del Centro Nacional de Ignición (NIF, por sus siglas en inglés) perteneciente al Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL, por sus siglas en inglés) ubicado en California, Estados Unidos. Uno de los primeros en percatarse del correo electrónico con los resultados experimentales fue Alex Zylstra, físico del LLNL. Su primera impresión fue que los datos apuntaban a que tenían en sus manos un momento Eureka. Zylstra no se dejó arrastrar por la emoción y, tras revisar una vez más los datos, contactó a su colega Andrea Kritcher (encargada de supervisar el modelado integrado de los diseños de fusión en el NIF) para corroborar la información.
La conclusión inicial de Zylstra parecía correcta. Alrededor de las 3 de la madrugada, Arthur Pak, líder del equipo de diagnósticos, confirmó los datos experimentales: por primera vez en la historia se había obtenido una ganancia neta de energía (mayor energía de salida que la suministrada) a partir de la fusión nuclear; es decir, las propias reacciones de fusión proveyeron de la energía suficiente para mantener el plasma, el cual a su vez mantuvo y propagó la combustión, obteniendo así una ganancia de energía… aunque solo fuera por una billonésima de segundo. De acuerdo con los reportes, el láser suministró 2.05 megajoules (MJ)
{{ El joule es la unidad de energía de acuerdo con el sistema internacional de unidades. El prefijo mega equivale a 1 millón. }}
y se obtuvieron 3.15 MJ, es decir, una ganancia neta de 1.1 MJ, energía suficiente para hervir dos litros de agua.
Cristalizar la propuesta teórica de John H. Nuckolls (quien fuera director del LLNL de 1988 a 1994) de utilizar láseres de alta energía para promover la fusión nuclear a escala laboratorio tomó más de 60 años e innumerables avances en ciencias de materiales, modelos computaciones, desarrollo de láseres y óptica. El anuncio oficial de este hito tecnológico lo hizo el 13 de diciembre de 2022 Jennifer Granholm, secretaria del Departamento de Energía de Estados Unidos, quien dijo que era “un importante avance científico que se está gestando desde hace décadas y que allanará el camino para los avances en la defensa nacional y el futuro de la energía limpia”.
¿Por qué resulta tan relevante este resultado experimental de billonésimas de segundo de duración? ¿Qué hace tan atractiva a la energía por fusión nuclear a largo plazo en comparación con la energía nuclear que conocemos?
La energía nuclear se produce hoy en un reactor de fisión nuclear, que aprovecha la energía que resulta de la división del átomo y posterior control de las reacciones en cadena. En el reactor de fusión nuclear, en cambio, es la energía resultante de unir los átomos la que se usa. Un reactor de fusión utiliza como combustibles deuterio y tritio, isótopos que pueden obtenerse con relativa facilidad de los océanos. En contraste, el uranio que se utiliza en los reactores de fisión nuclear no es tan abundante, y se extrae por técnicas de minería y posteriores procesos de enriquecimiento.
Los científicos han estimado que la fusión de estos isótopos del hidrógeno aportaría entre cinco y diez veces más energía que la que se obtiene a través de la fisión nuclear. En otras palabras, a través de la fusión nuclear se puede obtener mucha energía en relación con la cantidad de combustible utilizado. Y también de forma más limpia, ya que el producto de la fusión son principalmente átomos de helio, un gas inerte; no se generan gases de efecto invernadero ni elementos altamente radioactivos.
En tercer lugar, y al menos en teoría, en caso de que el reactor de fusión nuclear se descontrole, la reacción se apagaría. Esto es una diferencia importante con un reactor de fisión, al cual una reacción en cadena podría sobrecalentar y hacer estallar, liberando elementos altamente radioactivos al medioambiente, como ocurrió en la tragedia de Chernóbil.
La obtención de energía por medio de la fusión nuclear no solo tendrá repercusiones científicas y tecnológicas, sino también geopolíticas. Nicholas Negroponte, cofundador y primer director del renombrado Media Lab (1985) del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), hablando sobre la rivalidad tecnológica entre Estados Unidos y China, ha sido categórico: “Si alguien domina la fusión nuclear, cambiará las reglas del juego.”
Por supuesto, Estados Unidos no es el único interesado en el mundo en producir energía por fusión nuclear. Antes del anuncio del 13 de diciembre, los reactores de fusión nuclear con mayor exposición mediática eran los reactores Tokamak, un acrónimo ruso que designa una cámara toroidal con bobinas magnéticas (el más grande que se está construyendo con fines de investigación medirá 73 metros y tendrá una capacidad para albergar 830 metros cúbicos de plasma). La forma de dona de estos reactores ofrece estabilidad para mantener unido el plasma, pero hasta el momento no se ha logrado confinarlo el tiempo suficiente para que se tenga una ganancia neta de energía, como en el experimento del NIF. Como no existe ningún material que soporte estas temperaturas, el plasma se confina utilizando imanes y láseres, de tal manera que nunca llega a tocar las paredes del reactor.
De 1954 a la fecha se han construido poco más de 200 Tokamaks de distintos tamaños alrededor del mundo, y aproximadamente 50 de ellos se encuentran en funcionamiento. Esto no quiere decir que estén completamente operativos y produciendo energía para iluminar ciudades enteras. Para ofrecer un poco de perspectiva, el Tokamak operado en Reino Unido (conocido como JET) saltó a los titulares en febrero de 2022, cuando logró producir 59 megajoules en 11 segundos, el doble de la energía que había alcanzado allá en 1997, un cuarto de siglo atrás.
Sin importar el método usado para la generación y mantenimiento del plasma, su control constituye todo un reto. Por ejemplo, para lograr el control del plasma a través del confinamiento magnético en el reactor Tokamak, el equipo en Reino Unido echó mano de algoritmos de aprendizaje profundo. DeepMind, una empresa de inteligencia artificial con sede en el Reino Unido, logró entrenar una red neuronal de aprendizaje profundo para controlar los imanes de un Tokamak de configuración variable ubicado en Lausana (Suiza). La red neuronal entrenada es capaz de hacer 90 mediciones que dan la forma y posición del plasma, para ajustar los 19 imanes del Tokamak. Esto lo hace 10 mil veces por segundo.
Esta retroalimentación increíblemente rápida permitió un control total del Tokamak por dos segundos, el máximo tiempo que puede funcionar el reactor antes de sobrecalentarse. Dos segundos puede parecer muy poco tiempo, pero en el ambiente de los reactores de fusión nuclear eso es una eternidad.
El uso de aprendizaje profundo no ha sido exclusivo del equipo en Reino Unido. En el caso del laboratorio en Livermore, California, ayudó en la simulación de la hidrodinámica del plasma para predecir diversos escenarios, lo cual permitió seleccionar las mejores condiciones operativas en la ejecución del experimento del 5 de diciembre. Estas herramientas matemáticas han permitido explorar nuevas configuraciones y condiciones de operación antes no contempladas.
Si bien lo anunciado el pasado 13 de diciembre constituye un punto de inflexión en la producción de energía por fusión nuclear, muchos todavía consideran a esta tecnología un tema más propio de la ciencia ficción. Cierto, probablemente estemos a décadas de obtener un reactor completamente operativo para abastecer las necesidades energéticas de una comunidad. Sin embargo, no olvidemos lo que pioneros como los hermanos Wright lograron: romper la barrera de lo que se consideraba posible para su época, al lograr un vuelo de 12 segundos a bordo de una máquina que hoy sería considerada primitiva. A poco más de un siglo, la aviación es una industria multimillonaria.
Del mismo modo, en cien años (o menos, con la ayuda de herramientas como el aprendizaje automático), la fusión nuclear podría cambiarle el rostro a la civilización. Hemos sido testigos del pistoletazo de salida en la carrera por una energía limpia (y por la hegemonía geopolítica) donde el pulso de una estrella aquí en la Tierra iluminará nuestro futuro. Y espero que sea realmente brillante.
(San Andrés Tuxtla, Ver., 1981) es ingeniero químico y doctor en ciencias aplicadas. Fue miembro del Sistema Nacional de Investigadores del Conacyt. Fue galardonado con el Premio al Estudiante Universitario en las categorías de Ensayo Científico y Humanístico y finalista en el concurso de Ciencia Jot Down 2022.
